Conductivité thermique des matériaux et des éléments chimiques
Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée conductivité thermique , k (ou λ), mesurée en W / mK . C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toutes les matières, quel que soit leur état (solide, liquide ou gaz), elle est donc également définie pour les liquides et les gaz.
La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:
La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc écrire k = k (T) . Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (k y , k z ), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, k x = k y = k z = k.
De l’équation précédente, il s’ensuit que le flux thermique de conduction augmente avec l’augmentation de la conductivité thermique et augmente avec l’augmentation de la différence de température. En général, la conductivité thermique d’un solide est supérieure à celle d’un liquide, supérieure à celle d’un gaz. Cette tendance est due en grande partie aux différences d’ espacement intermoléculaire pour les deux états de la matière. En particulier, le diamant a la dureté et la conductivité thermique les plus élevées de tous les matériaux en vrac.
Conductivité thermique des fluides (liquides et gaz)
En physique, un fluide est une substance qui se déforme (s’écoule) continuellement sous une contrainte de cisaillement appliquée. Les fluides sont un sous-ensemble des phases de la matière et comprennent les liquides , les gaz , les plasmas et, dans une certaine mesure, les solides plastiques. Parce que l’espacement intermoléculaire est beaucoup plus grand et le mouvement des molécules est plus aléatoire pour l’état fluide que pour l’état solide, le transport d’énergie thermique est moins efficace. La conductivité thermiquedes gaz et des liquides est donc généralement plus petit que celui des solides. Dans les liquides, la conduction thermique est causée par la diffusion atomique ou moléculaire. Dans les gaz, la conduction thermique est causée par la diffusion de molécules d’un niveau d’énergie supérieur au niveau inférieur.
Conductivité thermique des gaz
L’effet de la température, de la pression et des espèces chimiques sur la conductivité thermique d’un gaz peut être expliqué en termes de théorie cinétique des gaz . L’air et les autres gaz sont généralement de bons isolants, en l’absence de convection. Par conséquent, de nombreux matériaux isolants (par exemple le polystyrène) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle . L’alternance de la poche de gaz et du matériau solide fait que la chaleur doit être transférée à travers de nombreuses interfaces provoquant une diminution rapide du coefficient de transfert de chaleur.
La conductivité thermique des gaz est directement proportionnelle à la densité du gaz, à la vitesse moléculaire moyenne, et surtout au libre parcours moyen de la molécule. Le libre parcours moyen dépend également du diamètre de la molécule, les grosses molécules étant plus susceptibles de subir des collisions que les petites molécules, qui est la distance moyenne parcourue par un vecteur d’énergie (une molécule) avant de subir une collision. Les gaz légers, tels que l’ hydrogène et l’ hélium, ont généralement une conductivité thermique élevée . Les gaz denses tels que le xénon et le dichlorodifluorométhane ont une faible conductivité thermique.
En général, la conductivité thermique des gaz augmente avec l’augmentation de la température.
Conductivité thermique des liquides
Comme il a été écrit, dans les liquides, la conduction thermique est causée par la diffusion atomique ou moléculaire, mais les mécanismes physiques pour expliquer la conductivité thermique des liquides ne sont pas bien compris. Les liquides ont tendance à avoir une meilleure conductivité thermique que les gaz, et la capacité de s’écouler rend un liquide approprié pour éliminer l’excès de chaleur des composants mécaniques. La chaleur peut être éliminée en canalisant le liquide à travers un échangeur de chaleur. Les liquides de refroidissement utilisés dans les réacteurs nucléaires comprennent de l’eau ou des métaux liquides, tels que le sodium ou le plomb.
La conductivité thermique des liquides non métalliques diminue généralement avec l’augmentation de la température.
Conductivité thermique des métaux
Les métaux sont des solides et en tant que tels, ils possèdent une structure cristalline où les ions (noyaux avec leurs enveloppes d’électrons centrales) occupent des positions équivalentes en traduction dans le réseau cristallin. Les métaux en général ont une conductivité électrique élevée , une conductivité thermique élevée et une densité élevée. En conséquence, le transport de l’énergie thermique peut être dû à deux effets:
- la migration des électrons libres
- ondes vibratoires du réseau (phonons).
Lorsque les électrons et les phonons transportent de l’énergie thermique conduisant à un transfert de chaleur par conduction dans un solide, la conductivité thermique peut s’exprimer comme suit:
k = k e + k ph
La caractéristique unique des métaux en ce qui concerne leur structure est la présence de porteurs de charges, en particulier les électrons . Les conductivités électriques et thermiques des métaux proviennent du fait que leurs électrons externes sont délocalisés . Leur contribution à la conductivité thermique est appelée conductivité thermique électronique, k e . En fait, dans les métaux purs tels que l’or, l’argent, le cuivre et l’aluminium, le courant thermique associé au flux d’électrons dépasse de loin une petite contribution due au flux de phonons. En revanche, pour les alliages, la contribution de k ph à k n’est plus négligeable.
Conductivité thermique des non-métaux
Pour les solides non métalliques , k est déterminé principalement par k ph , qui augmente à mesure que la fréquence des interactions entre les atomes et le réseau diminue. En fait, la conduction thermique sur réseau est le mécanisme de conduction thermique dominant dans les non-métaux, sinon le seul. Dans les solides, les atomes vibrent autour de leur position d’équilibre (réseau cristallin). Les vibrations des atomes ne sont pas indépendantes les unes des autres, mais sont plutôt fortement couplées avec les atomes voisins. La régularité de l’arrangement du réseau a un effet important sur le k ph , avec des matériaux cristallins (bien ordonnés) comme le quartzayant une conductivité thermique plus élevée que les matériaux amorphes comme le verre. A des températures suffisamment élevées k ph ∝ 1 / T.
Les quanta du champ vibratoire cristallin sont appelés « phonons ». Un phonon est une excitation collective dans un arrangement élastique et périodique d’atomes ou de molécules dans la matière condensée, comme les solides et certains liquides. Les phonons jouent un rôle majeur dans de nombreuses propriétés physiques de la matière condensée, comme la conductivité thermique et la conductivité électrique. En fait, pour les solides cristallins non métalliques tels que le diamant, k ph peut être assez grand, dépassant les valeurs de k associées à de bons conducteurs, comme l’aluminium. En particulier, le diamant a la dureté et la conductivité thermique les plus élevées (k = 1000 W / mK) de tous les matériaux en vrac.
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