LES PROPRIÉTÉS THERMIQUES La transmission de chaleur Le transfert de chaleur se produit entre deux corps dont les températures sont différentes, la chaleur se déplaçant du corps le plus chaud vers le corps le moins chaud jusqu'à ce que les températures des deux corps soient équilibrées. SENS DE FLUX Matériau A Matériau B TA TB TA>TB Le transfert de chaleur s'effectue de trois manières différentes : 1) Par conduction 2) Par convection 3) Par rayonnement La conduction thermique est un transfert de chaleur qui se réalise sans déplacement de matière. Ce transfert de chaleur est rencontré le plus souvent dans des matériaux solides, Barreau métallique se réchauffant au contact d'une flamme C'est par la conduction que la chaleur traverse les parois des habitations La convection thermique est un transfert de chaleur qui se réalise avec déplacement de matière. Ce transfert de chaleur est rencontré dans des fluides, liquide ou gaz. Les molécules d'air présentes au dessus d'une plaque chauffante ou d'un radiateur s'échauffent et montent vers le plafond de la salle. Il y a une circulation d'air qui s'établit des parties chaudes de l'air vers les parties froides (la masse volumique de l'air diminue avec la température) Exemple courant de convection: mouvement d'eau dans une casserole TRANSFERT D'ENERGIE PAR RAYONNEMENT Le Soleil transmet à la Terre une grande quantité d'énergie. Ce transfert d'énergie, qui se fait même dans le vide, est appelé rayonnement Le transfert de chaleur par rayonnement se produit entre deux corps non en contact, ayant une température différente. Contrairement à la convection, ce n'est pas l'air qui transporte l'énergie mais les rayons de chaleur (ondes électromagnétique). Le rayonnement solaire, concentré à l'aide d'une loupe sur une petite surface de papier, entraîne un échauffement local de celui-ci, suffisant pour l'enflammer. Le flux de chaleur Φ Le flux de chaleur Φ est la quantité de chaleur Q échangée par unité de temps Φ = Q/t Q en Kcal t en h en (watt) LE COEFFICIENT DE CONDUCTIBILITÉ THERMIQUE « λ » Décrit l'aptitude du matériau à transmettre la chaleur par conduction. Il est élevé pour les matériaux conducteurs et faibles pour les isolants. Plus d’un matériau est grand, plus le matériau laisse traverser la chaleur donc il est un bon conducteur de la chaleur et vice versa, plus d’un matériau est faible, plus le corps s’oppose au transfert de chaleur, plus il est isolant. Cette aptitude est égale à la quantité de chaleur Q traversant un échantillon du matériau à travers son épaisseur e (1m) et sa surface S (1m²) pendant 1 heure. La différence de températures aux surfaces planes et opposées de l’éprouvette étant de 1°C. Qe λ S ΔT t Une conductivité thermique de 1 watt par mètre-celsius indique la quantité de chaleur qui se propage à travers un matériau par conduction thermique : 1. en 1 heure, 2. à travers une surface de 1 m2, 3. sur une épaisseur d'un 1 m, 4. lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 °C. s’exprime, compte tenue de sa définition Kcal/m.h.°C W/m.°C Coefficient de conductivité thermique de quelques matériaux de construction Matériaux en W/m°C Cuivre 390 Aluminium 125....230 Acier 37....60 Roches naturelles 0,5....5 Marbre 3 Béton ordinaire 1,5.....2 Béton léger 0,3....1,2 Béton cellulaire 0,1....0,4 Verre à vitres 0,8.....1,15 Verre moussé 0,07 Bois 0,1.....0,25 Chêne 0,23 Sapin 0,12 Matières plastiques 0,1.....0,5 Matières plastiques moussé 0,025.....0,05 Isolants 0,04 Air sec immobile 0,024 Facteurs influents sur la conductivité thermique Plusieurs facteurs ont une influence sur la conductivité thermique: • Les propriétés thermique de la matière Les matières cristallines sont de meilleurs conducteurs de chaleur que les matières amorphes • La porosité de la matière : La chaleur est mieux conduite par la matière pure que par l’air. La conductivité thermique de l’air immobile est très faible: elle est de l’ordre de = 0,024 W/m°C. La conductivité thermique est donc influencée par la porosité et la masse volumique des matériaux. Facteurs influents sur la conductivité thermique •Le type des pores des matières à pores fermés est inférieur à celui des matières à pores ouverts et communicants. Les pores communicants favorisent un mouvement d’air entraînant le transfert de chaleur. • Le diamètre des pores Plus le diamètre des pores est grand plus la convection dans les pores croît et plus augmente. •L’humidité et la température du corps considéré : La conductivité thermique de l’eau (eau = 0,597 W/m°C) est environ 25 fois plus grande que celle de l’air. Si l’humidité du matériau augmente et que l’eau vienne remplacer l’air dans les pores, le coefficient de conductivité thermique augmente sensiblement. Si l’eau gèle, la différence deviendra encore plus grande, et atteint des valeurs plus élevées (glace= 2,25 W/m°C ) L'ISOLATION THERMIQUE L'isolation d'un bâtiment permet de diminuer les échanges de chaleur entre l'intérieur du bâtiment et l'environnement extérieur, Elle emprisonne la chaleur à l'intérieur en hiver et garde la maison fraîche en été. Un isolant thermique est un matériau ayant une faible conductivité thermique. Sa caractéristique principale est de freiner les échanges de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment. ≤ 0.10 matériau isolant 0.10 < < 8 matériau semi conducteur ≥8 matériau conducteur de chaleur Type d'isolant thermique Isolant minéral Isolant naturel Isolant synthétique Laine de verre Laine de roche Verre cellulaire Argile expansée Liège Fibres de bois Ouate de cellulose Laine de coton paille Polystyrène expansé Polystyrène extrudé Polyuréthane laine de roche liège Fibres de bois Laine de verre La laine de verre est un matériau isolant thermique de consistance laineuse obtenu par fusion à partir de sable et de verre recyclé (calcin). La laine de roche est un matériau isolant fabriqué à partir d'un matériau naturel issu de l'activité volcanique (le basalte). Le verre cellulaire, verre expansé, verre mousse ou verre multicellulaire est un type de verre de faible densité, dont la structure comporte de nombreuses bulles de gaz. Le liège est l'écorce d'un arbre : le chêne-liège. Matière avec laquelle sont fabriqués les bouchons L’ouate de cellulose est un matériau de construction isolant fabriquée à partir d'environ 85 % de journaux recyclés et 15% d’un additif. Représentation schématique des différentes formes d’isolation LA RÉSISTANCE THERMIQUE Elle caractérise la résistance d’une paroi au passage d’un flux de chaleur La résistance thermique est le rapport entre conductivité thermique. Rth = e/ l’épaisseur e du matériau et sa en (m2 °C/W ) La valeur R est utile pour connaître l’épaisseur d’isolant souhaitée ou pour connaître l’épaisseur nécessaire pour obtenir une même isolation avec différents matériaux Plus 𝛌 est faible, plus la paroi résiste à la transmission de chaleur, meilleur est le niveau d’isolation. La résistance thermique d’une paroi constituée de plusieurs couches se résume à la somme des résistances de chacune des couches. R paroi = R1 + R2 … +.. Rn avec Ri = ei / 𝛌i ei : épaisseur de la couche i et s’exprime en (m) 𝛌i : conductivité thermique de la couche i et s’exprime en (W/m.°C) EXERCICE Un mur extérieur d’une construction d’épaisseur totale de 35 cm est constitué de cinq couches. 1. Déterminer l’isolant approprié pour garantir une résistance thermique du mur Rth = 0,46 m2°C/W parmi les trois isolants suivants : •Matière plastique dont λ = 0,17 W/m°C •Air sec immobile dont λ = 0,024 W/m°C •Matière plastique moussé dont λ = 0,06 W/m°C. Numéro de la couche Nature de la couche Épaisseur ei (cm) Conductivité thermique λi (W/m°C) 1 Mortier dense 3 1,26 2 Pierre à bâtir 12 1,57 3 Isolant - - 4 Brique rouge 11,5 0,67 5 Plâtre dense 4 0,58 La capacité thermique La capacité thermique traduit l’aptitude du matériau à absorber une quantité de chaleur (Q) et à s’échauffer (élévation de sa température) de ΔT : Q C ΔT (J.K-1) Dans la pratique, et pour définir une propriété du matériau Indépendante de sa masse (m), on utilise la capacité thermique massique c qui s’exprime en J.K-1.Kg-1 C c m Diffusivité thermique La diffusivité thermique est une propriété dynamique du matériau. Elle caractérise l’aptitude d’un matériau à transmettre la chaleur (en terme de vitesse) elle s’exprime en m2/s. Ce paramètre est directement contenu dans l’équation de la chaleur simplifiée : a . cp Où : λ : La conductivité thermique du matériau (en [W/m.K]) ρ : La masse volumique du matériau (en [kg/m3]) cp : La capacité thermique massique à pression constante du matériau (en [J/kg.K]) Résistance au feu C’est l’aptitude d’un matériau à résister à l’action des hautes températures sans perdre de sa capacité portante ( sans diminution sensible de résistance et sans déformations importantes). Elle indique donc le comportement au feu d’un élément donné de construction dans le sens de la durée pendant laquelle cet élément conserve certains caractères fonctionnels jugés essentiels. Résistance au feu La combustion d’un matériau se fait en présence et sous l’effet: - d’une matière combustible, - de l’oxygène comme agent d’oxydation, - d’une source d’allumage pour l’échauffement de la matière combustible à la température d’allumage. Résistance au feu En cas d’incendie, il est impératif que la structure reste stable pour permettre l’évacuation des personnes. Résistance au feu Priorités en cas d’incendie: Stabilité des éléments porteurs Limitation de la propagation du feu Limitation du feu aux ouvrages voisins Évacuation facile des occupants Prise en compte de la sécurité des sauveteurs Les matériaux sont classés Matériaux incombustibles (Acier, béton, verre, pierre, produits céramiques, brique, plâtre) Matériaux peu combustibles (Bois ignifugé) Les traitements ignifuges sont un apprêt chimique de protection qui rend résistant au feu une matière inflammable. Un produit ignifuge protège donc les matériaux sur lesquels il est appliqué en retardant ou en stoppant la propagation des flammes. C’est un élément de protection passive contre l'incendie Matériaux combustibles (bois, papiers, coton, peintures…) Résistance au feu Décomposition des bétons sous l’effet de la température Zones de températures Modifications dans le béton • A 100°C Simple dilatation • Entre 100°C et 180°C Evaporation de l’eau libre et déshydratation des aluminates et silicates. • Entre 400 et 500°C Ca(OH) CaO + HO • Entre 700°C et 850 °C La décomposition du calcaire ( granulats) s’amorce : CaCO CaO + CO • Entre 1150 et 1200°C Le béton s’effrite LA RÉFRACTAIRITÉ Il s’agit pour le matériau de résister à l’action continue des hautes températures sans se déformer ni se fondre Matériaux réfractaires > 1580 °C Matériaux peu fusibles de Matériaux fusibles 1350 à 1580 °C < 1350 °C IMPERMÉABILITÉ AUX RADIATIONS NUCLÉAIRES C’est la capacité d’arrêter les rayons gamma et les flux de neutrons dangereux pour les organismes vivants. Pour cela on utilisera les matériaux denses -Flux de neutrons : stoppés par les matériaux contenants une grande Quantité d’eau. - Les rayons g : stoppés par les matériaux de masse spécifiques élevée (béton + plomb, béton + bore, cadmium ou lithium). STABILITÉ THERMIQUE Pouvoir de résister à un certain nombre de cycles de variations calorifiques brusques sans se détruire STABILITÉ CHIMIQUE Pouvoir de résister à l’action des acides, des bases, des solutions saline et des gaz
