Diffusivité thermique

La diffusivité thermique est une grandeur physique qui caractérise la capacité d'un matériau continu à transmettre un signal de température d'un point à un autre de ce matériau. Elle dépend de la capacité du matériau à conduire la chaleur (sa conductivité thermique) et de sa capacité à accumuler la chaleur (capacité thermique volumique ).

Diffusivité thermique
La faible diffusivité thermique du sol explique l'inertie thermique des habitations troglodytiques.
Unités SI m2·s-1
Dimension L2·T-1
Nature Grandeur scalaire intensive
Symbole usuel , ou .
Lien à d'autres grandeurs = .

Description

La diffusivité thermique est souvent désignée par les lettres , ou la lettre grecque .

(en m2/s)

 :

(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).

La diffusivité thermique est une grandeur intensive. Elle caractérise une forme de comportement thermique dynamique d'un solide, appelé diffusion, très différente de la propagation à vitesse constante.

Diffusivité thermique et effusivité thermique sont les grandeurs essentielles pour quantifier l'inertie thermique.

La diffusivité thermique peut être mesurée en utilisant la technique Laser Flash[1].

Profondeur de pénétration d'un signal de température

La diffusivité thermique permet de caractériser la profondeur de pénétration (parfois profondeur de peau thermique) δ d'un signal de température périodique sinusoïdal imposé à la surface d'un milieu continu (ou massif) semi-infini.

C'est la profondeur à laquelle l'amplitude du signal est amortie d'un facteur e (constante d'Euler)[2]

homogène à une distance

  • est la pulsation du signal de température périodique, en rad s−1.

Le signal sinusoïdal de température à la profondeur dans le massif semi-infini est amorti de façon exponentielle dans cette épaisseur avec une longueur caractéristique par un coefficient et retardé avec un déphasage de radians.

Au-delà de 2 à 3 fois cette longueur caractéristique de pénétration par diffusion, presque rien ne pénètre des oscillations sinusoïdales de température.

Cette longueur de pénétration pour un matériau typique à diffusivité de mm2 s−1 (ex : argile ou terre) pour une période Tp est de × 0,564 mm, soit 17 cm pour un jour ou 3,2 m pour un an. Par conséquent, au-delà de 10 m de profondeur, les oscillations annuelles de température ne se reflètent pas. Dans la terre pleine d'humus très riche en végétaux comme la paille, (mur en torchi) ce peut être 3 fois moins.

Valeurs de diffusivité de quelques matériaux

Valeurs typiques, assez variables dans le bâtiment, suivant les conditions de préparation et composition des matériaux, comme le béton, la brique, le bois, la terre ou argile mais restant grossièrement proches de 1 entre 0,1 et 1,5 en 10−6 m2/s sauf pour les métaux (très fonction de leur pureté) et les isolants usuels très légers à diffusivité bien plus rapide, avec des conséquences pratiques[3].

Tables traduites de la page Wikipédia en allemand, voir aussi en anglais :

diffusivité de métaux à 20 °C
masse volumique (ρ)
en 103 kg/m3
chaleur
spécifique
()
en kJ/(kg⋅K)
conductivité-
thermique
(λ) en W/(m⋅K)
diffusivité-
thermique (a)
en 10−6 m2/s
Aluminium2,70,88823798,8
Plomb11,340,1293523,9
Bronze8,80,3776218,7
Chrome6,920,449129,9
Cr-Ni-Acier

(X12CrNi18 8)

7,80,5153,8
Fer7,860,4528122,8
Or19,260,129316127,2
fonte7,80,5442…5010…12
Acier (< 0,4 % C)7,850,46545…5512…15
Cuivre8,930,382399117
Magnésium1,741,0215687,9
Manganèse7,420,473216
Molybdène10,20,25113853,9
Sodium0,971,22133112
Nickel8,850,4489123
Platine21,370,1337125
Argent10,50,235427173
Titane4,50,522229,4
Tungstène190,13417367,9
Zinc7,10,38712144
Étain, blanc7,290,2256740,8
Silicium2,330,70014887
diffusivité thermique de non-métaux à 20 °C
masse volumique (ρ)
en 103 kg/m3
chaleur
spécifique ()
en kJ/(kg⋅K)
conductivité-
thermique
(λ) en W/(m⋅K)
diffusivité-
thermique (a)
en 10−6 m2/s
Acrylique (Plexiglas)1,181,440,1840,108
Asphalte2,120,920,700,36
Béton2,40,881,10,54
Glace (0 °C)0,9172,042,251,203
Humus (grossier)2,041,840,520,14
Sol sableux (sec)1,650,800,270,20
Sol sableux (humide)1,751,000,580,33
Argile1,450,881,281,00
Verre à vitre2,480,700,870,50
verre à miroir2,700,800,760,35
Verre de quartz2,210,731,400,87
Laine de verre0,120,660,0460,58
Gypse2,2 bis 2,41,090,510,203
Granit2,750,892,91,18
Graphite (Graphite)2,250,709119…16574…103
Liège (matériau)0,191,880,0410,115
Marbre2,60,802,81,35
Mortier1,90,800,930,61
Papier0,71,200,120,14
Polyéthylène0,922,300,350,17
Polytétrafluoroéthylène2,201,040,230,10
Polychlorure de vinyle1,380,960,150,11
Porcelaine (95 °C)2,401,081,030,40
Soufre1,960,710,2690,193
Charbon1,351,260,260,15
Sapin (radial)0,4152,720,140,12
Crépi1,690,800,790,58
Brique1,6…1,80,840,38…0,520,28…0,34
Air0,00131,010,02620

Notes et références

Annexes

Articles connexes

Lien externe

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