Effusivité thermique

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Effusivité thermique
Unités SI J K−1 m−2 s−1/2
Autres unités W K−1 m−2 s1/2
Dimension M·T-2.5·Θ-1
Nature Grandeur scalaire intensive

L'effusivité thermique d'un matériau caractérise sa capacité à échanger de l'énergie thermique avec son environnement. Elle est donnée par[1] :

où :

est la conductivité thermique du matériau (en W m−1 K−1)
la masse volumique du matériau (en kg m−3)
la capacité thermique massique du matériau (en J kg−1 K−1)

Elle s'exprime donc[1] en : J K−1 m−2 s−1/2. Alternativement, elle peut être exprimée en W K−1 m−2 s1/2

(L'utilisation de la capacité thermique volumique exprimée en joules par mètre cube-kelvin, produit de la masse volumique ρ et de la capacité thermique massique c, permet éventuellement de simplifier cette équation).

Effusivité thermique et diffusivité thermique sont les grandeurs essentielles pour quantifier l'inertie thermique.

Sens physique[modifier | modifier le code]

En se basant sur la réponse thermique d'un milieu semi-infini à un changement de température en surface, il est possible de montrer que lors d'un contact entre deux milieu de températures différentes :

Soit un matériau 1, d'effusivité E1 à la température T1, mis en contact avec un matériau 2 d'effusivité E2 et de température T2. On suppose que la mise en contact se fait par une surface plane 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 ni ni , mais assez vraisemblablement entre les deux. Ce n'est pas non plus car on conçoit que la diffusivité importe, ainsi que la capacité thermique des matériaux. La réponse est :

avec dans la même unité de température qui peut être le kelvin ou le degré Celsius. Autrement dit, la température de contact est la moyenne des températures des deux corps pondérées par leur effusivité respective.

Par exemple, si l'on pose la main sur du bois et de l'acier de même température (disons 20 °C), l'acier paraîtra plus froid car son effusivité est de 14 000 J K−1 m−2 s−1/2 et celle de la peau 1 400 J K−1 m−2 s−1/2 . La température alors ressentie par les capteurs de la peau est :

.

Par contre, pour le bois d'effusivité de l'ordre de 400 J K−1 m−2 s−1/2 , la température ressentie est :

Le bois est ressenti comme une matière « chaude », alors que sa température est la même que celle de la pièce, 20 °C.

Lien et différence avec la diffusivité thermique[modifier | modifier le code]

Ne pas confondre l'effusivité thermique avec la diffusivité thermique en m2/s. Les deux valeurs sont évidemment liées : .

Toutes deux sont les grandeurs essentielles pour quantifier l'inertie thermique.

À la différence de la diffusivité thermique qui décrit la rapidité d’un déplacement des calories à travers la masse d’un matériau, l’effusivité décrit la rapidité avec laquelle un matériau absorbe les calories. Plus l’effusivité est élevée, plus le matériau absorbe l’énergie rapidement. Au contraire, plus elle est faible, moins le matériau est sensible aux variations de température.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b Jean-Claude Krapez, Mesure de l'effusivité thermique, Éditions Techniques de l'ingénieur (présentation en ligne)

Liens internes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]