Chaleur La chaleur caractérise un transfert d'énergie à l'échelle microscopique pour un système passant d'un état A à un état B. Les notions de chaud ou de froid résultent de la perception par nos sens de la présence ou de l'absence de chaleur, ou plus exactement de l'accroissement ou de la diminution de la chaleur. La chaleur due à l’agitation des particules élémentaires qui composent un corps, est repérée par la température.
Couramment deux échelles de température sont utilisées : L’échelle CELSIUS, dans cette échelle le zéro correspond à la température de la glace fondante, la valeur cent à celle de l’ébullition de l’eau à la pression atmosphérique. Le degré CELSIUS est la centième partie de la variation entre 0 et 100°C. Les valeurs inférieures à zéro sont négatives. L’échelle thermodynamique, le zéro ou origine de cette échelle est défini comme la plus basse température que peut atteindre un corps (elle correspond à –273,15°C sur l’échelle de Celsius). Les températures mesurées grâce à cette échelle s’expriment en Kelvin (K). Le degré Celsius et le Kelvin on la même valeur. T Kelvin = T Celsius + 273,15 Il existe trois modes de transferts de la chaleur sous forme sensible :
Conduction
Rayonnement
Convection
Conduction La chaleur se propage dans le corps par agitation thermique (moléculaire ou atomique). Ce mode de transmission de la chaleur concerne tous les milieux matériels : fluides ou solides. Il n’y a pas déplacement de la matière. La conduction se manifeste si il existe une différence de température dans le milieu matériel considéré, cela signifie que le gradient de température n’est pas nul.
Figure 1: Barreau métallique se réchauffant au contact d'une flamme
Convection
C’est le déplacement
des particules du milieu fluide (gaz ou liquide) qui provoque le transfert de
chaleur. On distingue la convection forcée pour laquelle c’est une action
mécanique qui est à l’origine du mouvement et la convection naturelle où la
mise en mouvement est due à des différences de densité au sein même du fluide.
Figure 2 : Exemple courant de convection: mouvement d'eau
dans une casserole
Rayonnement
Le transfert de
chaleur entre deux milieux matériels se fait par l’intermédiaire d’ondes
électromagnétiques. La propagation des ondes électromagnétiques ne nécessite
pas de milieu matériel, exemple le rayonnement solaire parvient à la surface de
la terre après avoir traversé le vide spatial.
Figure 3: Deux exemples de rayonnement thermique
Glossaire
Conductivité thermique
C’est la
propriété physique d’un matériau qui caractérise sa capacité à conduire plus ou
moins facilement la
chaleur. Contrairement à l’électricité où il existe des
matériaux complètement isolants, pour la conduction il n’existe pas de matériau
totalement isolant.
Plus un matériau est conducteur de la chaleur, plus
sa conductivité thermique est élevée.La conductivité thermique d’un matériau est fonction de :
sa densité : plus un matériau est léger plus
il est isolant
sa température : plus un matériau est
« chaud » plus il est conducteur
sa
teneur en eau (humidité) : plus un matériau est humide plus il est
conducteur
Matériaux
l [W/m/K]
Remarques
Cuivre
380
Très bon conducteur
Aluminium
230
Acier
50
Terre comprimée
1.05
Terre cuite
1.15
Béton
1.75
Béton caverneux
1,40
Plâtre
0.35
Bois naturel
0.15 à 0.23
Panneau de contreplaqué
0.12
Panneau de particule
0,14
Polystyrène expansé
0.04
Isolant thermique
Laine de Verre
0.04
Idem
Laine de roche
0,038 à 0,047
Liège comprimé
0,10
Verre
1.10
Résistance thermique
Pour une paroi
constituée d’un seul matériau d’épaisseur e et de conductivité , la résistance thermique s’écrit
[m²K/W] pour une surface unitaire (1m²).
Plus la paroi est isolante (épaisseur importante ou
conductivité faible) plus la résistance thermique est élevée. A titre
d’illustration, pour obtenir le même niveau d’isolation qu’une couche de 8 cm de laine de verre, une
paroi en terres doit avoir une épaisseur de 2.1 m. En superposant
plusieurs couches, on additionne les résistances thermiques pour obtenir la
résultante.
Matériau
Epaisseur (e)
Conductivité
Résistance thermique
Béton
20 cm
1.75 W/m/K
0.114 m²K/W
Laine de verre
10 cm
0.04 W/m/K
2.5 m²K/W
Pont thermique
Selon la
réglementation thermique, un pont thermique est une partie de l’enveloppe d’un
bâtiment ou la résistance thermique, par ailleurs uniforme, est modifiée de
façon sensible. Plusieurs cas sont possibles. Il peut s’agir :
de la pénétration totale
ou partielle de l’enveloppe du bâtiment par des matériaux ayant une
conductivité thermique différente
d’un changement local
d’épaisseur des matériaux de la paroi, ce qui revient à changer localement la
résistance thermique ;
d’une différence entre
les aires intérieure et extérieure, comme il s’en produit aux liaisons entre
parois.
Il existe différents
types de ponts thermiques :
Les ponts thermiques
linéaires ou 2D qui sont caractérisés par un coefficient linéique « ψ »
exprimé en [W. m-1. K-1]. C’est le cas, par exemple, de
la liaison en partie courante mur extérieur – plancher ou refend ;
Les ponts thermiques
ponctuels ou 3D qui sont caractérisés par un coefficient ponctuel« χ » exprimé en [W. K-1].
C’est le cas, par exemple, entre un plancher et deux murs de façade
perpendiculaires.
Flux de chaleur
C'est la quantité de chaleur qui traverse la
surface considérée pendant l'unité de temps. Le symbole utilisé est la lettre F. L'unité
dans le système international est le Watt.
Dossier réalisé en collaboration avec notre partenaire le CETHIL, Le Centre Thermique de Lyon
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