Introduction
Le concept de Diffusivité thermique est fréquemment confondu avec celui de conductivité thermique. Ce sont des concepts étroitement liés ; cependant, la conductivité thermique semble être plus répandue dans la communauté scientifique. Même si elle est la moins populaire des deux mesures de transfert thermique, la diffusivité thermique joue toujours un rôle important en influençant le mouvement et le comportement de la chaleur.
La diffusivité thermique est une mesure de la vitesse à laquelle la chaleur se disperse dans un objet ou un corps. La conductivité thermique est une mesure de la facilité avec laquelle un atome ou une molécule d’un matériau accepte ou cède la chaleur. L’idée principale derrière la diffusivité thermique est la vitesse à laquelle la chaleur se diffuse dans un matériau.
Expressions pour la diffusion thermique
La conductance thermique peut également être considérée comme un facteur de diffusion thermique. Un matériau dont on dit qu’il conduit efficacement la chaleur doit également avoir des propriétés de diffusion thermique efficaces afin de faciliter le transfert de chaleur. La densité est un autre facteur de diffusion thermique. Un matériau à haute densité est composé d’atomes/molécules serrés les uns contre les autres. Une densité élevée peut limiter la vitesse et la distance que la chaleur peut parcourir à travers l’objet. Une augmentation de la densité peut être imaginée comme une autoroute avec plus de postes de péage, où les voitures sont des quanta d’énergie sous forme de chaleur.
La capacité thermique spécifique est le dernier facteur pertinent lorsqu’on ne concerne que les solides, car cette quantité concerne la quantité de chaleur qui peut être retenue par un atome/molécule à la fois. On peut l’imaginer comme un feu de signalisation qui a plus de chances de changer si plus de voitures s’y arrêtent. Augmenter la chaleur spécifique du matériau reviendrait à diminuer l’effet positif que chaque voiture arrêtée au feu a sur la probabilité que le feu passe au vert. Les fluides sont également affectés par la convection, qui est le mouvement des atomes/molécules provoqué par le chauffage. La convection a un impact sur le transfert de chaleur et rend la diffusivité thermique beaucoup plus difficile à modéliser mathématiquement. Cependant, si l’on se concentre sur les solides, une représentation plus simple peut être formée.
\
Où k est la conductivité thermique, p est la densité et c est la capacité thermique spécifique à pression constante. pc est souvent appelé la capacité thermique volumétrique.
Pour une personne ayant une formation en mathématiques ou dans un domaine connexe, ce concept pourrait être quelque peu familier. Cela peut être attribué à une forme assez utile d’équation qui décrit la diffusion de toute propriété à travers un milieu cohérent. Cette forme d’équation est appelée « équation de la chaleur » parce que la diffusion de la chaleur est son utilisation la plus courante.
\ »Équation de la chaleur »
Où \ est une mesure d’une certaine propriété, \ est sa dérivée par rapport au temps, et \ est son opérateur de Laplace (la divergence du gradient)
Dans le cas du transfert de chaleur à travers un corps homogène (uniforme), \ pourrait représenter la température et α serait le même que ci-dessus.
\
Un avantage de cette équation est que \ peut souvent être écrit indépendamment de tout système de coordonnées. Sous cette forme, il est clair de voir que la diffusivité thermique est un facteur d’échelle, ce qui signifie qu’elle contrôle directement la vitesse à laquelle la température change.
Méthodes expérimentales pour trouver la diffusivité thermique
Il est possible que la diffusivité thermique soit mesurée en même temps que la conductivité thermique si la densité est connue. Une méthode serait l’expérience de la barre de Searle, qui donne une équation pour la conductivité thermique
\
Si l’équation suivante est substituée dans l’équation de diffusion thermique sans un calcul initial, alors la capacité thermique spécifique n’aurait pas besoin d’être connue.
Les améliorations de la technologie moderne ont créé des méthodes plus précises pour déterminer la diffusivité thermique d’un objet. La méthode flash est une méthode relativement nouvelle pour mesurer la diffusivité thermique. Dans cette méthode, un petit échantillon du matériau aux dimensions prédéterminées est recouvert d’une peinture noire conçue pour que l’échantillon se comporte comme une boîte noire. Une face de l’échantillon est ensuite frappée par une lumière très intense de courte durée. Connaissant la longueur d’onde et l’intensité de cette lumière, la quantité d’énergie qu’elle transmet à l’échantillon est facilement estimée avec une grande précision. La face opposée de l’échantillon est en contact avec un thermocouple qui mesure la température de cette face. Un oscilloscope trace la température mesurée en fonction du temps. La diffusivité thermique peut alors être trouvée à travers la forme du graphique en réarrangeant l’équation de la chaleur.
Applications de la diffusivité thermique
Figure 1 : Une maison avec un manque d’isolation dans les zones.
De nombreuses industries s’appuient sur la diffusivité thermique pour déterminer les matériaux les plus appropriés pour optimiser le flux de chaleur efficace. L’isolation est un exemple de matériau qui nécessite une faible diffusivité thermique afin qu’une quantité minimale de chaleur le traverse à tout moment. Un dissipateur thermique est un appareil conçu pour évacuer la chaleur et l’éloigner d’une autre pièce d’équipement. Un dissipateur de chaleur doit avoir une diffusivité thermique très élevée qui permet le transport rapide de la chaleur. Si le transfert de chaleur était lent, la zone acceptant la chaleur se réchaufferait et ne permettrait pas un flux de chaleur aussi important par unité de temps. Les dissipateurs thermiques sont utilisés dans presque toutes les pièces d’équipement électrique. Une augmentation de la température dans certains composants peut entraîner une résistance électrique accrue et un comportement inattendu.
Figure 2 : Un dissipateur thermique en cuivre pour éloigner la chaleur d’une carte mère.
Les technologies telles que la réfrigération, le chauffage, l’usinage et l’architecture tiennent toutes la diffusivité thermique à une importance primordiale. Vous trouverez ci-dessous une liste des matériaux présentant les diffusivités thermiques les plus élevées et les plus faibles. Cette liste est une courtoisie de la vaste base de données des propriétés thermiques des matériaux de Thermtest.
| Matériau | Conductivité thermique (W/m-K) |
Diffusivité thermique (mm2/s) |
Capacité thermique spécifique (J/kg-K) |
Densité du matériau (kg/m3) |
|---|---|---|---|---|
| Iode (solide) | 0.004 | 0 | 218 | 4930 |
| Ammonia (NH3) (liquide sous pression) | 0.05 | 0,02 | 4686 | 618 |
| Acétate de vinyle d’éthyle | 0.075 | 0,03 | 2301 | 1200 |
| Tétradécafluorohexane | 0.057 | 0,0308 | 1100 | 1680 |
| Urée-Formaldéhyde Moulée | 0.126 | 0,05 | 1674 | 1500 |
| Fluorure de polyvinylidène (Kynar) | 0,126 | 0.05 | 1381 | 1760 |
| Polyvinyl Butyral | 0,084 | 0.05 | 1674 | 1100 |
| Caoutchouc butyle | 0,088 | 0.05 | 1966 | 900 |
| R12 (Dichlorofluorométhane) | 0.07 | 0,0531 | 886 | 1488 |
| R134a (Tétrafluoroéthane) | 0.1 | 0,0566 | 1280 | 1380 |
Tableau 1 : Mesures de la conductivité thermique, de la plus faible diffusion thermique, de la capacité thermique spécifique et de la densité du matériau.
| Matériau | Conductivité thermique (W/m-K) |
Diffusivité thermique (mm2/s) |
Capacité thermique spécifique (J/kg-K) |
Densité du matériau (kg/m3) |
|---|---|---|---|---|
| Feuille de graphite 100 Um (In-Plan) | 700 | 968 | 850 | 850 |
| Tôle graphite 25 Um (In-Plan) | 1600 | 896 | 850 | 2100 |
| Tôle graphite 70 Um (In-Plan) | 800 | 855 | 850 | 1100 |
| Diamant carbone qualité gemme type 1 | 543.92 | 306 | 506 | 3510 |
| Carbure de silicium (SiC) (Single Xtal) | 489.53 | 225 | 678 | 3210 |
| Argent | 426.77 | 172 | 236 | 10500 |
| Hélium (Gaz) | 0.15 | 164 | 5188 | 0,177 |
| Potassium | 97.069 | 150 | 753 | 862 |
| Hydrogène (gaz) | 0.186 | 145 | 14230 | 0,0899 |
| Alliages d’argent sterling et pièces | 359.82 | 137 | 251 | 10500 |
Tableau 2 : Mesures de la conductivité thermique, de la diffusion thermique la plus élevée, de la capacité thermique spécifique et de la densité du matériau.
Référence
« On thermal diffusivity » – Agustin Salazar – mai 2003 European Journal of Physics 24(4):351 ; 10.1088/0143-0807/24/4/353 – https://www.researchgate.net/publication/231038795_On_thermal_diffusivity
« Méthode flash de détermination de la diffusivité thermique, de la capacité thermique et de la conductivité thermique » – W. J. Parker, R. J. Jenkins, C. P. Butler et G. L. Abbott – Journal of Applied Physics 32, 1679 (1961) ; 10.1063/1.1728417 – https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1728417
« Cartographie de la diffusivité thermique des nanocomposites polymères à base de graphène » – Matthieu Gresil, Zixin Wang, Quentin-Arthur Poutrel & Constantinos Soutis – Scientific Reports | 7 : 5536 ; 10.1038/s41598-017-05866-0 – https://www.nature.com/articles/s41598-017-05866-0.pdf
BASE DE DONNÉES DES PROPRIÉTÉS THERMIQUES DES MATÉRIAUX – https://thermtest.com/materials-database
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