Conductivité thermique : définition

La conductivité thermique mesure la facilité avec laquelle un matériau laisse passer la chaleur. Elle permet de classer les matériaux, des métaux très conducteurs aux isolants les plus performants, et intervient dans tous les calculs de transfert thermique, du dimensionnement d'un échangeur à celui d'une isolation de bâtiment.

Définition de la conductivité thermique

La conductivité thermique est la grandeur physique qui caractérise l'aptitude d'un matériau à transmettre la chaleur par conduction. Elle correspond au flux de chaleur qui traverse, en régime permanent, un mètre d'épaisseur de matériau par mètre carré de surface, lorsque la différence de température entre ses deux faces est d'un kelvin. Plus elle est élevée, plus le matériau est conducteur. Plus elle est faible, plus il est isolant.

Le principe physique de la conduction de chaleur

La conduction est un transfert d'énergie thermique sans déplacement de matière, à la différence de la convection et du rayonnement. Dans la zone chaude, les atomes vibrent plus intensément et transmettent cette agitation à leurs voisins. Dans un solide, ce sont les vibrations du réseau cristallin, les phonons, qui propagent la chaleur, ainsi que les électrons libres dans les métaux. C'est pourquoi les bons conducteurs électriques sont aussi de bons conducteurs thermiques. Les mécanismes propres à chaque état de la matière sont détaillés pour la conductivité thermique des solides et pour la conductivité thermique des liquides et des gaz.

Quelle est la différence avec la diffusivité thermique ?

La conductivité indique la quantité de chaleur transmise en régime établi. La diffusivité thermique, notée a et exprimée en m²/s, indique la vitesse à laquelle une variation de température se propage dans le matériau. Elle vaut a = λ / (ρ · c), où ρ est la masse volumique et c la capacité thermique massique. Un matériau conducteur mais capable de stocker beaucoup de chaleur aura une diffusivité modérée : c'est le principe de l'inertie thermique. Les méthodes de mesure des deux grandeurs sont présentées dans l'article sur la conductivité et la diffusivité thermique des solides.

Symbole et unité de mesure : le coefficient Lambda (λ)

La conductivité thermique est notée λ (lambda) dans la littérature francophone, et souvent k dans les publications anglo-saxonnes. Son unité SI est le watt par mètre-kelvin, W·m⁻¹·K⁻¹, que l'on écrit aussi W/(m·K). Le watt exprime le flux de chaleur, le mètre traduit le rapport entre l'épaisseur traversée et la surface d'échange, et le kelvin la différence de température. Un écart d'un kelvin étant égal à un écart d'un degré Celsius, les valeurs exprimées en W/(m·°C) sont identiques. Dans le bâtiment, les fabricants d'isolants affichent une valeur déclarée, notée λD, dont la certification est assurée en France par l'ACERMI.

Comment calculer la conductivité thermique ?

La conductivité d'un matériau ne se calcule pas à partir d'une formule simple : elle se mesure, par la méthode de la plaque chaude gardée, du fil chaud ou du flash laser selon les matériaux, comme le détaillent les méthodes de mesure de la conductivité thermique des isolants. Une fois connue, elle permet en revanche de calculer les flux de chaleur et les résistances thermiques.

Comprendre la loi de Fourier

Formulée par Joseph Fourier en 1822, cette loi établit que la densité de flux de chaleur est proportionnelle au gradient de température : φ = − λ · grad T. Le signe moins traduit le fait que la chaleur circule du chaud vers le froid. Pour une paroi plane d'épaisseur e et de surface S, dont les faces sont à T1 et T2, le flux s'écrit Φ = λ · S · (T1 − T2) / e. Pour 1 m² de mur en béton de 20 cm (λ ≈ 1,75 W/(m·K)) soumis à un écart de 20 K, on obtient environ 175 W. Avec 10 cm de laine minérale (λ ≈ 0,035 W/(m·K)), le flux tombe à 7 W.

La relation entre conductivité (λ) et résistance thermique (R)

La résistance thermique d'une couche de matériau vaut R = e / λ, en m²·K/W. Elle augmente avec l'épaisseur et diminue quand la conductivité augmente. Pour une paroi composée de plusieurs couches, les résistances s'additionnent, et le coefficient de transmission U de la paroi est l'inverse de la résistance totale, résistances superficielles comprises. Ainsi, 12 cm de laine minérale à 0,035 W/(m·K) offrent une résistance d'environ 3,4 m²·K/W, qu'il faudrait environ 6 m de béton pour égaler.

Les facteurs qui influencent la conductivité d'un matériau

La conductivité n'est pas une constante absolue : elle dépend de l'état du matériau et de ses conditions d'emploi.

L'impact de la température et de l'humidité

La conductivité des gaz et de la plupart des isolants augmente avec la température, alors que celle des métaux purs diminue légèrement autour de la température ambiante. Les valeurs sont donc toujours données à une température de référence, 10 °C pour les isolants du bâtiment. L'humidité a un effet plus marqué encore : l'eau, avec λ ≈ 0,6 W/(m·K), conduit environ 24 fois mieux que l'air immobile. Un isolant humide perd une part importante de sa performance, d'où le rôle des pare-vapeur. Pour les fluides, la pression intervient aussi, comme le montre l'étude de la conductivité thermique des fluides sous pression.

Le rôle de la densité et de la structure moléculaire

Une structure cristalline ordonnée conduit mieux la chaleur qu'une structure amorphe : le quartz cristallisé est nettement plus conducteur que le verre. La porosité joue un rôle décisif. L'air emprisonné dans de petites cellules ne peut pas circuler, et sa faible conductivité devient celle de l'ensemble : c'est le principe des mousses et des isolants fibreux. Pour ces derniers, il existe une densité optimale : trop légers, ils laissent passer le rayonnement et la convection, trop denses, ils conduisent davantage par la matière solide.

Exemples de valeurs : conducteurs vs isolants

Les valeurs suivantes sont des ordres de grandeur à température ambiante. Elles varient selon la pureté, la composition et la densité des matériaux.

Les matériaux à forte conductivité thermique (métaux)

Le cuivre et l'aluminium sont les métaux de référence pour évacuer ou transférer la chaleur : échangeurs, radiateurs, dissipateurs de composants électroniques, ustensiles de cuisson. L'argent est le métal le plus conducteur, mais son prix limite son usage à des applications très spécifiques. En électronique de puissance, certaines céramiques techniques comme le nitrure d'aluminium associent une bonne conductivité thermique à l'isolation électrique.

Les matériaux isolants à faible conductivité

Laines minérales, polystyrènes expansé et extrudé, mousses polyuréthane, fibres de bois ou ouate de cellulose affichent des conductivités comprises entre environ 0,022 et 0,045 W/(m·K). Tous exploitent le même principe, piéger de l'air ou un gaz dans une structure qui l'empêche de circuler. Les panneaux isolants sous vide descendent sous 0,010 W/(m·K), en supprimant presque entièrement la conduction gazeuse.

Pourquoi cette grandeur est-elle essentielle dans l'industrie et le bâtiment ?

Dans le bâtiment, la conductivité des matériaux détermine l'épaisseur d'isolant nécessaire, le traitement des ponts thermiques et, au final, la consommation d'énergie. Elle est au cœur des calculs réglementaires de la RE2020, en vigueur depuis 2022 pour les constructions neuves. Dans l'industrie, elle conditionne le dimensionnement des échangeurs, le refroidissement des composants électroniques, la tenue des revêtements réfractaires des fours et l'isolation des installations cryogéniques. Choisir un matériau pour sa conductivité, c'est arbitrer entre efficacité énergétique, sécurité et coût.

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