Isolation thermique
L’isolation thermique est le processus de réduction du transfert de chaleur entre des objets en contact thermique ou dans la plage d’influence radiative. Les isolants thermiques sont constitués de matériaux à faible conductivité thermique combinés pour obtenir une conductivité thermique du système encore plus basse . L’isolation thermique peut être obtenue à l’aide de méthodes ou de procédés spécialement conçus, ainsi que de formes et de matériaux appropriés.
Voir aussi: Conductivité thermique
D’un point de vue microscopique, le transport de l’ énergie thermique dans les solides peut généralement être dû à deux effets:
- la migration des électrons libres
- ondes de vibration de 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 être exprimée comme suit:
k = k e + k ph
Les métaux ont généralement une conductivité électrique élevée et une conductivité thermique élevée . Ces propriétés proviennent notamment du fait que leurs électrons externes (électrons libres) sont délocalisés . Leur contribution à la conductivité thermique est très élevée et est appelée conductivité thermique électronique, k e . En conséquence, les métaux sont de très bons conducteurs thermiques au lieu d’isolants thermiques.
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 principal mécanisme de conduction thermique chez les non-métaux, sinon le seul. Dans les solides, les atomes vibrent autour de leurs positions d’équilibre (réseau cristallin). Les vibrations des atomes ne sont pas indépendantes les unes des autres, mais sont plutôt fortement couplées aux atomes voisins. La régularité de l’agencement en treillis a un effet important sur k pH , avec des matériaux cristallins (bien ordonné) comme le quartz ayant une conductivité thermique supérieure à celle des matériaux amorphes tels que le verre.
Il faut ajouter que l’ isolation thermique est principalement basée sur la très faible conductivité thermique des gaz . Les gaz possèdent des propriétés de conduction thermique médiocres comparées aux liquides et aux solides et constituent donc un bon matériau isolant s’ils peuvent être piégés (par exemple dans une structure semblable à une mousse ). L’air et les autres gaz sont généralement de bons isolants. Mais le principal avantage est 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, ce qui entraîne une diminution rapide du coefficient de transfert de chaleur.
Il faut noter que les pertes de chaleur des objets plus chauds se produisent par trois mécanismes (individuellement ou en combinaison):
Jusqu’à présent, nous n’avons pas discuté du rayonnement thermique comme mode de perte de chaleur . Le transfert de chaleur par rayonnement est médié par le rayonnement électromagnétique et, par conséquent, il ne nécessite aucun milieu pour le transfert de chaleur. En effet, le transfert d’énergie par rayonnement est le plus rapide (à la vitesse de la lumière) et il ne subit aucune atténuation sous vide. Tout matériau dont la température est supérieure à zéro absolu dégage une certaine énergie rayonnante . La plupart de l’ énergie de ce type se trouve dans la région infrarouge du spectre électromagnétique, bien qu’une partie se trouve dans la région visible. Afin de diminuer ce type de transfert de chaleur, des matériaux à faible émissivité doivent être utilisés. lel’émissivité , ε , de la surface d’un matériau est son efficacité à émettre de l’énergie sous forme de rayonnement thermique et varie entre 0,0 et 1,0. En général, les métaux polis ont une émissivité très faible et sont donc largement utilisés pour renvoyer l’énergie rayonnante vers sa source comme dans le cas des couvertures de premiers soins .
Isolant thermique
Comme cela a été écrit, l’ isolation thermique est basée sur l’utilisation de substances à très faible conductivité thermique . Ces matériaux sont appelés isolants thermiques . Les isolants thermiques courants sont la laine, la fibre de verre, la laine de roche, le polystyrène, le polyuréthane et la plume d’oie, etc. Ces matériaux sont de très mauvais conducteurs de chaleur et sont donc de bons isolants thermiques.
Il faut ajouter que l’isolation thermique repose principalement sur la très faible conductivité thermique des gaz. Les gaz possèdent de mauvaises propriétés de conduction thermique par rapport aux liquides et aux solides et constituent donc un bon matériau d’isolation s’ils peuvent être piégés (par exemple dans une structure semblable à de la mousse ). L’air et les autres gaz sont généralement de bons isolants. Mais le principal avantage est 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 . Dans tous les types d’isolation thermique, l’évacuation de l’air dans l’espace vide réduira encore la conductivité thermique globale de l’isolant.
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.
En cas d’ isolation thermique par rayonnement , des isolations réfléchissantes peuvent être utilisées. Les isolations réfléchissantes sont généralement composées de feuilles parallèles multicouches de haute réflectivité, qui sont espacées pour renvoyer le rayonnement thermique vers sa source.
Exemple – Perte de chaleur à travers un mur
Les murs constituent une source majeure de perte de chaleur dans une maison. Calculez le taux de flux de chaleur à travers un mur de 3 mx 10 m (A = 30 m 2 ). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L 1 ) et il est fait de briques avec une conductivité thermique de k 1 = 1,0 W / mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure sont de 22 ° C et -8 ° C et que les coefficients de transfert de chaleur par convection sur les côtés intérieur et extérieur sont h 1 = 10 W / m 2 K et h 2 = 30 W / m 2K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).
- Calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers ce mur non isolé.
- Supposons maintenant une isolation thermique sur le côté extérieur de ce mur. Utilisez une isolation en polystyrène expansé de 10 cm d’épaisseur (L 2 ) avec une conductivité thermique de k 2 = 0,03 W / mK et calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers cette paroi composite.
Solution:
Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection . Avec ces systèmes composites, il est souvent commode de travailler avec un coefficient global de transfert de chaleur , connu comme un facteur U . Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de Newton du refroidissement :
Le coefficient global de transfert de chaleur est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.
- mur nu
En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:
Le coefficient global de transfert de chaleur est alors:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m 2 K
Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:
q = 3,53 [W / m 2 K] x 30 [K] = 105,9 W / m 2
La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:
q perte = q. A = 105,9 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 3177 W
- mur composite avec isolation thermique
En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi composite plane, aucune résistance de contact thermique et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:
Le coefficient global de transfert de chaleur est alors:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m 2 K
Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:
q = 0,276 [W / m 2 K] x 30 [K] = 8,28 W / m 2
La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:
q perte = q. A = 8,28 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 248 W
Comme on peut le voir, un ajout d’isolant thermique entraîne une diminution importante des pertes de chaleur. Il faut l’ajouter, un ajout de la prochaine couche d’isolant thermique ne provoque pas de telles économies. Cela peut être mieux vu de la méthode de résistance thermique, qui peut être utilisée pour calculer le transfert de chaleur à travers les murs composites . Le taux de transfert thermique constant entre deux surfaces est égal à la différence de température divisée par la résistance thermique totale entre ces deux surfaces.
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