- Jim Wilson
La diffusivité thermique est une mesure de la réponse thermique transitoire d’un matériau à un changement de température et le terme diffusivité thermique. (α) est défini commeα= k/(ρ x cp)
| où | α est la diffusivité thermique (m2/sec) |
| k est la conductivité thermique (W/m-K) | |
| ρ est la densité (kg/m3) | |
| cp est la capacité thermique (J/kg-K) |
Il faut noter que chacune de ces quantités peut varier avec la température. La diffusivité thermique est un ensemble pratique de propriétés physiques pour les solutions transitoires de l’équation de la chaleur. Pour un matériau homogène aux propriétés constantes, l’équation de la chaleur (1) avec trois propriétés physiques est exprimée sous la forme (2) avec un seul coefficient.
Un matériau à forte diffusivité thermique (comme l’argent) est un bon diffuseur d’énergie thermique tandis qu’un matériau à faible diffusivité thermique (comme le plastique) est beaucoup plus lent à diffuser l’énergie thermique. Si l’environnement thermique autour d’un matériau change, la chaleur doit entrer ou sortir du matériau jusqu’à ce que l’équilibre thermique soit atteint, en supposant que l’environnement soit constant après le changement. Les matériaux à haute diffusivité thermique atteindront l’équilibre thermique plus rapidement que les matériaux à faible diffusivité thermique.
Figure 1. Conductivité thermique en fonction de la diffusivité thermique pour une grande variété de matériaux homogènes (cercles fermés, métaux ; carrés, céramiques ; triangles, verres ; carrés ouverts, polymères ; cercles ouverts, liquides ; et croix, gaz) .
La figure 1 compare la conductivité thermique à la diffusivité thermique pour une grande variété de matériaux. Remarquez que les points de données notés comme matière condensée peuvent être décrits comme étant proches d’une ligne droite. Ceci est dû au fait que la plage de capacité thermique par unité de volume pour la matière condensée (liquides et solides) est faible (la plage de capacité thermique par volume pour la matière condensée est comprise entre 1×10-6 J/m3 -K et 4×10-6 J/m3-K). En ce qui concerne la diffusivité thermique, les gaz et la matière condensée sont différents. Par exemple, l’air a une faible conductivité thermique mais une diffusivité thermique relativement élevée � cela signifie que si l’air ne peut absorber qu’une quantité relativement faible d’énergie thermique, il est efficace pour diffuser l’énergie.
La conductivité thermique est une mesure du flux de chaleur dans un matériau résultant d’une différence de température. Pour obtenir des mesures précises de la conductivité thermique dans des conditions stables, il faut connaître à la fois le flux de chaleur et les températures et, en outre, que ces conditions ne changent pas dans le temps. Le temps nécessaire et la difficulté inhérente à la réalisation de mesures précises ont conduit au développement de techniques transitoires pour la mesure des propriétés. La capacité thermique et la densité sont relativement faciles à mesurer et même à prédire, compte tenu des matériaux constitutifs. Elles sont également mesurables sur des échantillons de petite taille. La mesure de la diffusivité thermique permet d’extraire la conductivité thermique. Une mesure de la diffusivité thermique ajoute la nécessité de mesurer le temps, mais une mesure précise du temps n’est pas difficile. La mesure des propriétés thermiques à l’aide d’une technique de flash a été décrite pour la première fois en 1960 par Parker et al. du laboratoire de défense radiologique de la marine américaine. D’autres efforts ont permis d’améliorer ces techniques de mesure pour en faire des méthodes bien établies de mesure des propriétés des matériaux.
Les unités de diffusivité thermique sont la longueur2/temps et un ensemble commun d’unités SI est le m2/sec (l’utilisation du cm ou du mm comme échelle de longueur est fréquente car elle permet de rapporter des valeurs plus proches de la valeur un). Le tableau 1 présente les diffusivités thermiques de certains matériaux à température ambiante (300 K). Comme pour la conductivité thermique, une variation significative des valeurs rapportées est fréquente.
Tableau 1. Diffusivité thermique pour certains matériaux
|
- Salazar, A., « On Thermal Diffusivity », European Journal of Physics, 24, 2003.
- Parker, W. et al, « A Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity », Journal of Applied Physics, 32, 1961.
- ASTM E1461-01 Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method, ASTM International, www.astm.org.
- King, J., Material Handbook for Hybrid Microelectronics, Artec House, Norwood, Mass, 1988.
A propos de l’auteur
.
