Diffusivité thermique

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Diffusivité thermique
Description de cette image, également commentée ci-après
La faible diffusivité thermique du sol explique l'inertie thermique des habitations troglodytiques.
Unités SI m2/s
Dimension L 2·T −1
Nature Grandeur scalaire intensive
Symbole usuel κ ou α
Lien à d'autres grandeurs = .

La diffusivité thermique est une grandeur physique qui caractérise la capacité d'un matériau à transférer la chaleur (énergie thermique) à travers ce matériau. Elle dépend de la capacité du matériau à conduire la chaleur (conductivité thermique) et de sa capacité à accumuler la chaleur (capacité thermique volumique).

Définition[modifier | modifier le code]

La diffusivité thermique, exprimée en m2/s dans le Système international, est souvent désignée par les lettres grecques κ ou α :

où :

est la conductivité thermique du matériau (en W m−1 K−1 dans le Système international),
sa masse volumique (kg/m3),
sa capacité thermique massique à pression constante (J kg−1 K−1).

La diffusivité thermique est une grandeur intensive. Elle caractérise l'efficacité du transfert thermique par conduction.

La diffusivité thermique peut être mesurée en utilisant la technique Laser Flash[1].

Profondeur de pénétration d'un signal de température[modifier | modifier le code]

La diffusivité thermique permet de caractériser la profondeur de pénétration (parfois profondeur de peau thermique) d'un signal de température périodique sinusoïdal imposé à la surface d'un milieu continu (ou massif) semi-infini.

C'est la profondeur à laquelle l'amplitude du signal est amortie d'un facteur e (constante d'Euler)[2] :

où :

δ est la profondeur de pénétration (exprimée en mètres dans le Système international),
ω la pulsation du signal périodique de température (rad/s).

Le signal sinusoïdal de température à la profondeur dans le massif semi-infini est amorti de façon exponentielle dans cette épaisseur avec une longueur caractéristique par un coefficient et retardé avec un déphasage de radians.

Au-delà de deux à trois fois cette longueur caractéristique de pénétration par diffusion, presque rien ne pénètre des oscillations sinusoïdales de température.

Cette longueur de pénétration pour un matériau typique à diffusivité de 1 mm2 s−1 (ex. : argile ou terre) pour une période est de , soit 17 cm pour un jour ou 3,2 m pour un an. Par conséquent, au-delà de 10 m de profondeur, les oscillations annuelles de température ne se reflètent pas. Dans la terre pleine d'humus très riche en végétaux comme la paille (mur en torchi), ce peut être trois fois moins.

Valeurs de diffusivité de quelques matériaux[modifier | modifier le code]

Valeurs typiques, assez variables dans le bâtiment, suivant les conditions de préparation et composition des matériaux, comme le béton, la brique, le bois, la terre ou l'argile, mais restant grossièrement proches de 10−6 m2/s (entre 0,1 et 1,5 × 10−6 m2/s), sauf pour les métaux (très fonction de leur pureté) et les isolants usuels très légers à diffusivité bien plus grande, avec des conséquences pratiques[3].

Tables traduites de la page Wikipédia en allemand, voir aussi en anglais :

Diffusivité thermique de métaux à 20 °C
Masse volumique
(103 kg/m3)
Capacité thermique massique
(kJ kg−1 K−1)
Conductivité thermique
(W m−1 K−1)
Diffusivité thermique
(10−6 m2/s)
Aluminium 2,7 0,888 237 98,8
Plomb 11,34 0,129 35 23,9
Bronze 8,8 0,377 62 18,7
Chrome 6,92 0,44 91 29,9
Cr-Ni-Acier

(X12CrNi18 8)

7,8 0,5 15 3,8
Fer 7,86 0,452 81 22,8
Or 19,26 0,129 316 127,2
Fonte 7,8 0,54 42…50 10…12
Acier (< 0,4 % C) 7,85 0,465 45…55 12…15
Cuivre 8,93 0,382 399 117
Magnésium 1,74 1,02 156 87,9
Manganèse 7,42 0,473 21 6
Molybdène 10,2 0,251 138 53,9
Sodium 0,97 1,22 133 112
Nickel 8,85 0,448 91 23
Platine 21,37 0,133 71 25
Argent 10,5 0,235 427 173
Titane 4,5 0,522 22 9,4
Tungstène 19 0,134 173 67,9
Zinc 7,1 0,387 121 44
Étain, blanc 7,29 0,225 67 40,8
Silicium 2,33 0,700 148 87
Diffusivité thermique de non-métaux à 20 °C
Masse volumique (ρ)
(103 kg/m3)
Chaleur spécifique ()
(kJ/(kg⋅K))
Conductivité thermique (λ)
(W/(m⋅K))
Diffusivité thermique (a)
(10−6 m2/s)
Polyméthacrylate de méthyle (Plexiglas) 1,18 1,44 0,184 0,108
Asphalte 2,12 0,92 0,70 0,36
Béton 2,4 0,88 1,1 0,54
Glace (°C) 0,917 2,04 2,25 1,203
Humus (grossier) 2,04 1,84 0,52 0,14
Sol sableux (sec) 1,65 0,80 0,27 0,20
Sol sableux (humide) 1,75 1,00 0,58 0,33
Argile 1,45 0,88 1,28 1,00
Verre à vitre 2,48 0,70 0,87 0,50
Verre à miroir 2,70 0,80 0,76 0,35
Verre de quartz 2,21 0,73 1,40 0,87
Laine de verre 0,12 0,66 0,046 0,58
Gypse 2,2 bis 2,4 1,09 0,51 0,203
Granit 2,75 0,89 2,9 1,18
Graphite 2,25 0,709 119…165 74…103
Liège (matériau) 0,19 1,88 0,041 0,115
Marbre 2,6 0,80 2,8 1,35
Mortier 1,9 0,80 0,93 0,61
Papier 0,7 1,20 0,12 0,14
Polyéthylène 0,92 2,30 0,35 0,17
Polytétrafluoroéthylène 2,20 1,04 0,23 0,10
Polychlorure de vinyle 1,38 0,96 0,15 0,11
Porcelaine (95 °C) 2,40 1,08 1,03 0,40
Soufre 1,96 0,71 0,269 0,193
Charbon 1,35 1,26 0,26 0,15
Sapin (radial) 0,415 2,72 0,14 0,12
Crépi 1,69 0,80 0,79 0,58
Brique 1,6…1,8 0,84 0,38…0,52 0,28…0,34
Air 0,0013 1,01 0,026 20

Notes et références[modifier | modifier le code]

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]