La diffusivité thermique : Calcul en ligne, définition, formule et modes du transfert de la chaleur
Calcul de la diffusivité thermique
La diffusivité thermique
La diffusivité thermique est une propriété dynamique du matériau car elle intervient dans les transferts en régime transitoire de température. Elle caractérise l’aptitude d’un matériau à transmettre la chaleur. C’est la vitesse à laquelle la chaleur se propage par conduction dans un corps. Elle fait intervenir la conductivité thermique et la capacité thermique d’un matériau et s’exprime en m²/s.
Plus la valeur de diffusivité thermique est faible, plus le front de chaleur mettra du temps à traverser l’épaisseur du matériau, et donc, plus le temps entre le moment où la chaleur est arrivée sur une face d’un mur et le moment où elle atteindra l’autre face est importante. C’est une grandeur de l’inertie thermique.
Comment calculer la diffusivité thermique ?
La diffusivité thermique est directement contenu dans l’équation de chaleur simplifiée, ou :
D= 𝛌/ρ.cp
Avec :
- D : diffusivité thermique du matériau en m2.s-1
- 𝛌 : La conductivité thermique du matériau en W·m-1·K-1
- ρ : La masse volumique du matériau en kg/m3,
- cp : La capacité thermique massique à pression constante en J. kg-1. K-1
La conductivité thermique et la capacité thermique massique de quelques matériaux
| matériau | Masse volumique en kg/m3 | Conductivité thermique en W/(m.K) | Capacité thermique massique en J/(kg.K) |
| Aluminium | 2700 | 230 | 880 |
| Alliages d’aluminium | 2800 | 160 | 880 |
| Bronze | 8700 | 65 | 380 |
| Laiton | 8400 | 120 | 380 |
| Cuivre | 8900 | 380 | 380 |
| Fer pur | 7870 | 72 | 450 |
| Fer, fonte | 7500 | 50 | 450 |
| Plomb | 11300 | 35 | 130 |
| Acier | 7800 | 50 | 450 |
| Acier inoxydable | 7900 | 17 | 460 |
| Zinc | 7200 | 110 | 380 |
| Quartz | 2200 | 1.40 | 750 |
| Pâte de verre | 2000 | 1.20 | 450 |
| Verre sodo-calciare | 2500 | 1 | 750 |
| Air | 1.23 | 0.025 | 1008 |
| Dioxyde de carbone | 1.95 | 0.014 | 820 |
| Argon | 1.70 | 0.017 | 519 |
| Hexafluorure de soufre | 6.36 | 0.013 | 614 |
| Krypton | 3.56 | 0.009 | 245 |
| Xénon | 5.68 | 0.0054 | 160 |
| Glace à –10 °C | 920 | 2.30 | 2000 |
| Glace à 0 °C | 900 | 2.20 | 2000 |
| Eau à 10 °C | 1000 | 0.60 | 2000 |
| Eau à 40 °C | 990 | 0.63 | 4190 |
| Eau à 80 °C | 970 | 0.67 | 4190 |
Les modes du transfert de la chaleur
La conduction
La conduction est définie comme étant le mode de transmission de la chaleur au sein d’un milieu opaque (solide, liquide ou gazeux), sans déplacement de la matière, en présence d’un gradient de température. Elle s’effectuée selon deux mécanismes différents: une transmission par vibration des molécules ou atomes et une transmission par les électrons libres. Ce mode se produit au sein d’une même phase au repos ou mobile, en présence d’un gradient de température. Dans ce cas, le transfert de chaleur résulte d’un transfert d’énergie cinétique d’une molécule à une autre molécule adjacente.
Ce mode de transfert est le seul à exister dans un solide opaque (qui absorbe tous les rayons). Pour les solides transparents, une partie de l’énergie peut être transmise par rayonnement. Avec les fluides (gaz ou liquides), la convection et le rayonnement peuvent se superposer à la conduction.
La convection
La convection consiste essentiellement en la transmission de l’énergie par le mouvement ou le déplacement macroscopique d’une parcelle (grand nombre de molécules), généralement d’un fluide d’une région à autre. Ce mécanisme est accompagné toujours par le transfert d’énergie dû au mouvement moléculaire et qui représente le côté conductif de ce mode. On distingue deux types de convection ; la convection naturelle (convection libre) où le mouvement des particules est dû aux différences de température qui sont imposées au fluide.
La différence de température implique une différence de masses volumiques (déplacement des particules, dilatation), exemple (chauffage de l’air pour une montgolfière, chauffage de l’eau dans un récipient). La convection forcée où le mouvement des particules résulte de la pression appliquée au fluide par l’intermédiaire des moyens mécaniques, (d’une pompe par exemple).
Le transfert de la chaleur par convection, se produit entre deux phases dont l’une est généralement au repos et l’autre en mouvement, en présence d’un gradient de température.
Le mouvement du fluide peut résulter de la différence de masses volumiques (ρ) due aux différences de températures.
Le rayonnement
Le rayonnement est le transfert d’énergie électromagnétique d’un milieu à haute température vers un autre milieu à basse température sans aucun support matériel (il peut s’effectuer dans le vide). En général, tout corps opaque ou partiellement opaque porté à une température supérieure à zéro Kelvin rayonne de l’énergie dans toutes les directions. Cette énergie est transportée sous forme d’une onde électromagnétique dont la propagation n’exige pas du support matériel. Ce type de transport de chaleur est analogue à la propagation de la lumière et il ne nécessite aucun support matériel, contrairement aux écoulements. Les gaz, les liquides et les solides sont capables d’émettre et d’absorber les rayonnements thermiques.
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