Effusivité thermique - Définition et Explications

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L’effusivité thermique d'un matériau est donnée par la formule : E=\sqrt{\lambda\rho c}λ est sa conductivité thermique, ρ sa masse volumique, et c sa capacité thermique massique. L'unité S.I. d'effusivité est le (J/K/m³).(m²/s) (400 pour la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le...) et le bois, ~30 fois plus pour l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...), ~30 fois moins pour un bon "isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....)" ).

L'effusivité d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) est sa capacité à échanger de l'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) avec son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...).

On ne doit pas la confondre avec la diffusivité thermique (La diffusivité thermique est la vitesse de pénétration et atténuation d'une onde thermique dans...) D = {\lambda \over \rho c} en m²/s. Un calcul élémentaire montre que E=\sqrt{D} \cdot \rho c.

L'unité la plus pratique pour la nommer en S.I. est une vitesse (On distingue :) . une entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius...) par unité de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...), soit une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) d'entropie.mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...) ou de dés-information, ce qui donne une représentation plus "concrète (La concrète est une pâte plus ou moins dure obtenue après extraction d’une...)" de l'effusivité thermique (L’effusivité thermique d'un matériau est donnée par la formule : où λ est sa...).

Sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un...) du marbre (Le marbre est une roche métamorphique dérivée du calcaire, existant dans une grande...) froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.)

Le théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une...) essentiel dit "théorème du contact thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...)" est le suivant :

Soit un matériau 1, d'effusivité E1 à la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) T1, mis en contact avec un matériau 2 d'effusivité est E2 et de température T2. On suppose que la mise en contact se fait par une surface plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle...) parfaitement lisse. On néglige donc la résistance de contact. Quelle est immédiatement après le contact la température de surface des deux matériaux ?

La réponse n'est évidemment pas T1 ni T2, mais assez vraisemblablement entre les deux. Ce n'est pas aussi (T1+T2)/2 car on conçoit que la diffusivité importe, ainsi que la capacité thermique (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...). La réponse est donc :

T = {(E1 T1 + E2 T2) \over (E1+E2)}

Par exemple, si on pose la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à...) sur du bois et de l'acier de même température (disons 20°C), l'acier paraît plus froid car son effusivité est de 14 000 (J/Km³)(m²/s) et celle de la peau 400. La température alors ressentit par les capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) de la peau est : (14000.20 + 400.37) / 14400 = 20.47 °C. Par contre, pour le bois d'effusivité de l'ordre de 400 , la température ressentit (400.20 + 400.37) / 800 = 28.5°C : le bois est ressenti comme une matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) "chaude", alors que sa température est la même que celle de la pièce 20°C .

De même, lorsque l'on marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un...) pieds nus, le marbre est ressenti comme un matériau froid, alors qu'il est à la même température que l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) ambiant. Ceci est du au fait que le marbre possède une grande effusivité.

Attention brûlure !

Le problème des brulures est légèrement différent. On comprend que la main posée sur une plaque chaude de bois ou de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) (disons à 60°C) ressente plus vite "le chaud" avec le métal qu'avec le bois. Cette intuition physiologique est juste mais exprimée de manière trompeuse : ce n'est pas la température qui "brûle", mais le flux de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le...). De même, en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...), ce n'est pas le voltage qui tue mais l'intensité du courant qui passe dans le corps (évidemment l'un est lié à l'autre!). C'est donc le flux de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) qui passe dans les tissus et qui va les détériorer. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) cela est donc difficile à faire comprendre à des enfants : il y a la température T, la capacité à s'échauffer quand on chauffe : Q = C . (Tf - Ti) et la durée, plus exactement dQ/dt , la cadence de réception de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), traduite par la diffusivité , et sa conséquence la variation temporelle de température dT/dt ; tout cela à comprendre sans parler de célérité (La célérité (traditionnellement notée c) est la vitesse de propagation d'un...) mais de diffusivité. Un professeur des Écoles (Professeur des écoles (succédant à instituteur) est un corps de la fonction publique...) peut y exercer sa sagacité. Un parent suivra les consignes habituelles : ne pas laisser un enfant plonger sa main dans de l'étain fondu (encore que dans ce cas, le problème est plus grave : c'est l'effet Stefan), ni poser sa main sur une surface conductrice chaude.

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