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4. Propriétés physiques: thermique GCI 116 - Matériaux de lingénieur Des Matériaux Section 7.6 Section 9.1 sauf p.395-397 Les propriétés thermiques Plan.

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1 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Des Matériaux Section 7.6 Section 9.1 sauf p Les propriétés thermiques Plan La capacité thermique Lexpansion thermique Contrainte thermique La conductibilité thermique et isolants Choc thermique Applications en génie civil

2 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur La capacité thermique est lénergie requise pour augmenter la température dune mole dun matériau de 1°K. Cette dernière peut être réalisée à volume constant et est alors représentée par la dérivé de la variation de lénergie interne du matériau, E, en fonction de la température: CAPACITÉ THERMIQUE

3 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur La capacité thermique peut aussi être réalisée à pression constante et est alors représentée par la dérivé de lenthalpie en fonction de la température: En règle générale, la chaleur spécifique est plus souvent employée en ingénierie que la capacité thermique. Ces deux paramètres sont reliés par la relation suivante: Donc, plus la valeur C est élevée, plus il est difficile de chauffer le matériau

4 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Exemple Quelle quantité de chaleur doit être fournie à 1kg daluminium pour augmenter sa température de 20°C à 500°C sachant que sa chaleur spécifique est de 0,215 cal/gK? Chaleur requise = (chaleur spécifique)(masse)( T) = (0,215 cal/gK)(1000 g)(500-20) = calories 1 cal/g K = 4,184 J/g K = KJ

5 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Chaleur spécifique de certains matériaux à 27°C

6 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Au zéro absolu, les atomes ont une énergie minimale. Suite à laugmentation de température, les atomes gagnent une énergie thermique qui conduit à une vibration dont la fréquence est fonction du module élastique et de la masse volumique du solide. La vibration de chaque atome est transmise au atomes voisins et produit une onde élastique quantifiable appelée phonon. Lénergie dun phonon peut sexprimer de la façon suivante: où h est la constante de Plank (6,62x J·s) c est la vitesse de la lumière (3x10 8 m/s) et v sont respectivement la longueur donde et la fréquence du phonon

7 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Un matériau gagne ou perd de la chaleur en gagnant ou perdant des phonons. Lénergie ou le nombre de phonon requis pour augmenter la température du matériau de 1 degré est exprimé par la capacité thermique ou la chaleur spécifique. Ces dernières sont moins influencées par les défauts du matériau (densité de dislocation, taille des grains ou proportion de lacunes) mais dépendent fortement de la vibration interatomique. La capacité thermique augmente avec la température

8 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Le changement de dimension du matériau par unité de longueur suite à un changement de température est donné par le coefficient de dilatation thermique: Suivant si le matériau est anisotrope ou non, le coefficient de dilatation thermique varie ou non selon la direction de mesure. EXPANSION THERMIQUE

9 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Comme nous lavons vu au modèle électrostatique, le coefficient de dilatation thermique est fonction de la nature des liaisons et de la force relative de chacune de celles-ci. Plus une liaison est intense et forte, plus le coefficient de dilatation thermique est faible.

10 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Le coefficient de dilatation change continuellement avec la température. Léquation du coefficient de dilatation en fonction de la température étant souvent très complexe à exprimer, on considère souvent le coefficient de dilatation constant et valide uniquement pour une certaine portée de température. De même, plus le point de fusion dun matériau est élevé, plus son coefficient de dilatation thermique est faible. Relation entre le coefficient de dilatation thermique et le point de fusion

11 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Linteraction de certains matériaux avec un champ électrique ou magnétique peut empêcher la dilatation normale du matériau sous une température inférieure à la température de Curie (température à laquelle se produit la transition entre létat ferromagnétique et létat paramagnétique). Cette propriété rend le matériau propice pour une utilisation en tant que bimétallique, utilisés comme indicateur de température dans les jauges et les thermostats ou encore comme disjoncteur.

12 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Lorsquun matériau est chauffé ou refroidi lentement, il se dilate uniformément sans contrainte résiduelle. Toutefois, si le déplacement du matériau est restreint, le changement de volume causé par la température peut ne pas être possible et des contraintes thermiques pourront alors se développer (exemple: joints dexpansion sur les ponts). Des contraintes thermiques se développent aussi à linterface de deux matériaux avec des coefficients de dilatation thermique différents sous leffet dun changement de température (exemples: matériaux composite, peinture). Des contraintes thermiques se produisent aussi lors de changements rapides de température (exemple: verre trempé). CONTRAINTE THERMIQUE

13 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Exemple Un revêtement doit être appliqué sur une plaque dacier de sorte à ralentir la corrosion. Le revêtement présente un coefficient de dilatation thermique de 10 x cm/cm·°C, une résistance de 25 MPa et un module élastique de 100 GPa. Calculer le changement de température admissible de sorte quil n y ait pas fissuration du revêtement si le coefficient de dilatation thermique de lacier est de 12 x cm/cm·°C.

14 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur La conductibilité thermique, k, cest une mesure du transfert de chaleur à travers un matériau. J étant le flux de chaleur soit la quantité dénergie qui traverse une unité de surface par unité de temps, dT la différence de température et dx la distance parcourue. Le signe négatif indique que le flux passe de la zone de haute température à la zone de basse température. CONDUCTIBILITÉ THERMIQUE

15 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Exemple On vous demande de déterminer lépaisseur dune vitre de 1,5 m 2 qui sépare une salle à 25 °C dune chambre à 40 °C et qui ne devra pas permettre l'entrée de plus de kJ de chaleur par jour. Le verre en question possède une conductivité thermique de 0,837 J/m·s ·°C. 1 jour = secondes et A = 1,5 m 2

16 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Lénergie thermique, dans les solides, est transférée par deux mécanismes importants: transfert délectrons libres et la vibration des atomes. Suite à laugmentation de température (un gain dénergie cinétique des électrons), les électrons de valence se déplacent vers les régions plus froides du matériau et transfèrent leur énergie aux autres atomes par de multiples collisions. La vibration atomique agite les électrons de la zone froide qui à leur tour migrent dans la zone plus chaude et le processus se poursuit de façon continue. La quantité dénergie transmise est fonction du nombre délectrons excités et de leur mobilité relative qui eux sont fonctions du type de matériau, des imperfections dans la maille et de la température. De même, la vibration provenant de lagitation thermique des atomes transfert elle aussi de lénergie à travers le matériau.

17 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Dans le cas des métaux, les électrons de valence peuvent se déplacer librement sous l action dune faible augmentation de chaleur. La mobilité des électrons libres est la cause principale de la conductibilité thermique chez ces matériaux (k e ~100k p ). On peut donc sattendre à une relation entre la conductibilité thermique et la conductibilité électrique. où k e est la conductibilité thermique due au mouvement des électrons, est la conductibilité électrique et L est la constante de Lorentz. Cette relation est respectée jusquà une certaine limite pour plusieurs métaux.

18 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Laugmentation de température augmente lénergie cinétique des électrons mais augmente aussi la proportion de défauts et la vibration des atomes qui à leur tour réduisent la mobilité des électrons libres. Par conséquent, la conductibilité thermique des métaux diminuent souvent avec laugmentation de la température mais linverse peut aussi se produire à température élevé lorsque le mécanisme de vibration des atomes devient dominant. Dans le cas des matériaux à liaisons ioniques et des matériaux amorphes, la contribution des électrons libres est très faible et la conductibilité thermique est due essentiellement à lagitation thermique des atomes qui augmente avec la température.

19 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur

20 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Pour ce qui est des céramiques à structure cristalline ordonnée le mouvement des électrons est possible mais moindre que dans les métaux. La liberté de mouvement décroît avec laugmentation de température. À température élevée la conductibilité thermique peut présenter une hausse suite à un transfert de chaleur par radiation.

21 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Les isolants thermiques sont des matériaux qui contiennent beaucoup dobstacles réduisant ou empêchant la propagation des phonons et des électrons. Les phonons et les électrons ne se propagent pratiquement pas dans les gaz. Cest pourquoi, on a le plus souvent recours à des matériaux poreux comme isolant (brique, laine, mousse, etc.)

22 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur AUTRES MODES DE CONDUCTION THERMIQUE Radiation Convection

23 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Lorsquun matériau est refroidi rapidement, un gradient thermique se produit dans le matériau. Ce gradient peut être la source de contraction différente à divers endroit dans le matériau. Si la contrainte résultante est suffisamment élevé, les défauts peuvent alors se propager et entraîner la rupture du matériau. On dit alors que le matériau a subi un choc thermique. Les principaux facteurs influençant les chocs thermiques sont: Le coefficient de dilatation thermique La conductibilité thermique Le module de Young La sévérité des défauts Les transformations allotropiques Vidéo 7.42 CHOC THERMIQUE

24 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur APPLICATIONS EN GÉNIE CIVIL THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

25 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur ThermaCAM TM SC 2000 (FLIR System) Précision ± 2% Sensibilité < 0,08°C à 30°C Mesure de lémission du rayonnement infrarouge Méthode basée sur le contraste de température

26 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Intrados du tablier Repérage des armatures

27 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Image thermique (matin) T = +0.4 °C T = +0.4 °C T = +0.4 °C T = +0.3 °C T° du béton sain = 14.1°C

28 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Image thermique (après-midi) T =-0.6 °C T =-0.6 °C T =-0.7 °C T =-0.8 °C T° du béton sain = 15.1°C

29 4. Propriétés physiques: thermique GCI Matériaux de lingénieur Modèle de poutreSignature thermique Les modèles de poutre permettent de simuler les différents défauts. Létude et le traitement des images thermiques permettent de localiser le tracé du câble et les zones danomalies thermiques


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