Conductivité thermique des matériaux : tableau de résistance
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La conductivité thermique est une grandeur intrinsèquement liée à un matériau. Elle se mesure en W/(m.K) et est notée λ. Plus λ est petit, meilleur isolant est le matériau. La conductivité thermique permet de calculer la résistance thermique d’une paroi, utile pour déterminer la classe énergétique d’un bâtiment. La conductivité thermique de la laine de verre est de 0.038 W/(m.K).
🧱Tableau des conductivités thermiques des isolant
La conductivité thermique est propre à chaque matériau. Plus elle est basse, plus le matériau en question est isolant ; c’est donc une donnée que l’on exploite énormément dans le secteur du bâtiment, en construction ou en rénovation.
Certains matériaux sont connus pour avoir une conductivité thermique très faible. Ils sont appelés isolants et utilisés spécialement pour empêcher la chaleur de s’échapper d’une maison en hiver, et de rentrer en été. En voici quelques uns, classés du plus isolant au moins isolant :
| Isolant | Conductivité thermique (en W/m.K) |
|---|---|
| polystyrène extrudé | 0.033 |
| polysytrène expansé | 0.036 |
| laine de verre | 0.038 |
| laine de roche | 0.038 |
| fibre de bois | 0.039 |
| laine de chanvre | 0.042 |
📝Formule, unité et calcul de la conductivité thermique
La conductivité thermique se mesure en Watts par mètre et par Kelvin, noté W/m.K. Elle mesure, pour un matériau donné, l’énergie transmise (en Watts) entre deux plans de 1m2, distants de 1m, et ayant entre eux un écart de 1 Kelvin.
En d’autres termes, elle mesure la capacité d’un matériau à laisser passer l’énergie thermique, donc la chaleur, à travers lui.
💡Un exemple parlant : si vous chauffez une poignée de porte puis demandez à quelqu’un se trouvant de l’autre côté d’ouvrir, il y a de fortes chances qu’il ou elle se brûle la main. Cela est dû au fait que les poignées de porte sont souvent faites en métal, et que le métaux sont les matériaux avec la conductivité thermique la plus élevée. Si la poignée de porte avait été faite en laine de roche, un très bon isolant, la farce n’aurait pas fonctionné.
🌊 On dit que les isolants humides sont moins efficaces. C’est vrai pour les isolants qui absorbent l’eau : celle-ci va s’infiltrer dans toutes les cavités de l’isolant. Or, l’eau a une conductivité thermique plutôt élevée : la chaleur la traverse très bien. L’eau absorbée par l’isolant va donc se comporter comme plein de micro ponts-thermiques, qui rendent forcément l’isolation moins efficace.
Comment mesurer la conductivité thermique d’un matériau
La conductivité thermique est une donnée compliquée à mesurer. Ses valeurs sont souvent déterminées en laboratoire avec des méthodes spéciales, comme celles du fil chaud : un fil chauffant est glissé entre deux échantillons du matériau à tester, de telle façon qu’il y ait contact entre le fil et les échantillons. Une mesure de température de la matière par thermocouple et un suivi du réchauffement en fonction du temps permettent de déterminer la conductivité thermique des matériaux testés.
Cette méthode n’est pas réalisable partout et par tout le monde. C’est pourquoi dans le milieu du bâtiment, pour mesurer les capacités isolantes d’un matériau, on utilise la méthode fluxmétrique, qui est la suivante :
On place un échantillon à tester entre une plaque froide (au-dessus) et une plaque chaude (en-dessous), que l’on colle pour qu’il y ait contact. La chaleur va se déplacer pour passer de la plaque chaude vers la plaque froide, mais devra en chemin traverser l’échantillon. On mesure le flux thermique traversant l’échantillon, puis, grâce à la loi de Fourier, on en déduit la conductivité thermique.
Bref, de toutes façons, il est difficile de se rendre compte tout seul à la maison de la conductivité thermique d’un matériau ; le mieux reste encore de le chauffer et d’observer ce qu’il se produit, mais attention aux brûlures !
Quelle différence entre conductivité thermique et conduction thermique ?
La conduction thermique est une des trois façons qu’a la chaleur de se déplacer, avec la convection et le rayonnement. Elle n’est pas quantifiable (c'est-à-dire qu’on ne peut pas lui attribuer de valeur numérique).
Pour qu’il y ait conduction, il faut obligatoirement qu’il y ait un contact physique entre les deux corps entre lesquels se propage la chaleur. Cette dernière est, en effet, dûe à l’agitation de très petites particules composant la matière (les phonons) : plus les particules sont agitées, plus la température est élevée.
Pour parler de façon (très) simplifiée, il y a conduction thermique quand les particules agitées d’un corps chaud bousculent tant les particules du corps froid qui le touche que celles-ci deviennent également agitées. La chaleur a été transmise.
La conductivité thermique mesure quant à elle la capacité d’un matériau à accepter cette conduction thermique. Vulgairement, la chaleur se transmet bien dans les métaux car les particules dans ceux-ci ont beaucoup de place pour s'agiter. Dans les isolants au contraire, les particules n’en ont pas la place, elles sont bloquées : pas de mouvement d’agitation de particules, pas de hausse de température, donc la chaleur ne passe pas au travers des isolants.
💡Comme pour l’électricité, l’air est le meilleur des isolants thermiques. Les matériaux réputés pour être de bons conducteurs électriques sont d’ailleurs souvent de bons conducteurs de chaleur, et de même pour les isolants.
Que permet de calculer la conductivité thermique ?
La conductivité thermique est essentielle pour calculer la résistance thermique d’une paroi, grandeur très utilisée en rénovation énergétique. La législation se base en effet dessus pour déterminer la classe énergétique d’un bâtiment. Si cette résistance thermique est trop basse, le logement peut être déclaré illégal, tandis qu’un logement avec une bonne conductivité thermique peut prétendre au label Bâtiment Basse Consommation (BBC).
La résistance thermique se calcule de la façon suivante :
R = e / lambda
La conductivité thermique sert également à calculer le déphasage thermique d’un isolant, avec la formule suivante :
φ = e . √(T/4/π) . √(ρ.Cp/λ)
Avec :
- T la période égale à 24 heure (86 400 secondes en unités SI)
- e l’épaisseur de la couche d’isolant en mètres
- ρ la masse volumique de l’isolant en kg.m-3, sachant que ρ = d * ρeau avec ρeau
- environ égal à 1 et d la densité de l’isolant
- Cp la capacité thermique massique de l’isolant en J.kg-1.K-1
- λ la conductivité thermique de l’isolant en W.m-1.K-1
❓ FAQ : Questions sur la conductivité thermique
Comment interpréter la conductivité thermique ?
Plus lambda est grand, moins le matériau est isolant. À l’inverse, un lambda faible est synonyme de bonnes propriétés d’isolation.
Qu’est ce qu’une bonne conductivité thermique ?
Un matériau ayant une bonne conductivité thermique, et donc de bonnes propriétés isolantes, a un lambda inférieur à 0.1W/(m.K). Les isolants classiques comme la fibre de bois, la laine de verre ou encore le polystyrène expansé ont même une conductivité thermique inférieure à 0.05W/(m.K).
Comment calculer la résistance thermique ?
La résistance thermique d’une paroi se calcule en séparant cette paroi en plusieurs couches, en fonction des matériaux qui la composent. Pour chaque couche, on calcule une résistance thermique intermédiaire.