LES PROPRIÉTÉS THERMIQUES

TA>TB La transmission de chaleur TB Matériau A Matériau B TA Le transfert de chaleur se produit entre deux corps dont les températures sont différentes, la chaleur se déplaçant du corps le plus chaud vers le corps le moins chaud jusqu'à ce que les températures des deux corps soient équilibrées. SENS DE FLUX Matériau A TA Matériau B TB TA>TB

Le transfert de chaleur s'effectue de trois manières différentes : Par conduction Par convection Par rayonnement

Barreau métallique se réchauffant au contact d'une flamme La conduction thermique est un transfert de chaleur qui se réalise sans déplacement de matière. Ce transfert de chaleur est rencontré le plus souvent dans des matériaux solides, Barreau métallique se réchauffant au contact d'une flamme

C'est par la conduction que la chaleur traverse les parois des habitations

Exemple courant de convection: mouvement d'eau dans une casserole La convection thermique est un transfert de chaleur qui se réalise avec déplacement de matière. Ce transfert de chaleur est rencontré dans des fluides, liquide ou gaz. Les molécules d'air présentes au dessus d'une plaque chauffante ou d'un radiateur s'échauffent et montent vers le plafond de la salle. Il y a une circulation d'air qui s'établit des parties chaudes de l'air vers les parties froides (la masse volumique de l'air diminue avec la température) Exemple courant de convection: mouvement d'eau dans une casserole

TRANSFERT D'ENERGIE PAR RAYONNEMENT Le Soleil transmet à la Terre une grande quantité d'énergie. Ce transfert d'énergie, qui se fait même dans le vide, est appelé rayonnement Le transfert de chaleur par rayonnement se produit entre deux corps non en contact, ayant une température différente. Contrairement à la convection, ce n'est pas l'air qui transporte l'énergie mais les rayons de chaleur (ondes électromagnétique). Le rayonnement solaire, concentré à l'aide d'une loupe sur une petite surface de papier, entraîne un échauffement local de celui-ci, suffisant pour l'enflammer.

Q en Kcal t en h Le flux de chaleur Φ Le flux de chaleur Φ est la quantité de chaleur Q échangée par unité de temps Φ = Q/t en (watt) Q en Kcal t en h

LE COEFFICIENT DE CONDUCTIBILITÉ THERMIQUE « λ » Décrit l'aptitude du matériau à transmettre la chaleur par conduction. Il est élevé pour les matériaux conducteurs et faibles pour les isolants. Plus  d’un matériau est grand, plus le matériau laisse traverser la chaleur donc il est un bon conducteur de la chaleur et vice versa, plus  d’un matériau est faible, plus le corps s’oppose au transfert de chaleur, plus il est isolant.

Cette aptitude est égale à la quantité de chaleur Q traversant un échantillon du matériau à travers son épaisseur e (1m) et sa surface S (1m²) pendant 1 heure la différence de températures aux surfaces planes et opposées de l’éprouvette étant de 1°C.

 s’exprime, compte tenue de sa définition Une conductivité thermique de 1 watt par mètre-celsius indique la quantité de chaleur qui se propage à travers un matériau par conduction thermique : en 1 heure, à travers une surface de 1 m2, sur une épaisseur d'un 1 m, lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 °C.  s’exprime, compte tenue de sa définition Kcal/m.h.°C W/m.°C

Matières plastiques moussé Matériaux en W/m°C Cuivre 390 Aluminium 125....230 Acier 37....60 Roches naturelles 0,5....5 Marbre 3 Béton ordinaire 1,5.....2 Béton léger 0,3....1,2 Béton cellulaire 0,1....0,4 Verre à vitres 0,8.....1,15 Verre moussé 0,07 Bois 0,1.....0,25 Chêne 0,23 Sapin 0,12 Matières plastiques 0,1.....0,5 Matières plastiques moussé 0,025.....0,05 Isolants 0,04 Air sec immobile 0,024 Coefficient de conductivité thermique de quelques matériaux de construction

Facteurs influents sur la conductivité thermique Plusieurs facteurs ont une influence sur la conductivité thermique: Les propriétés thermique de la matière Les matières cristallines sont de meilleurs conducteurs de chaleur que les matières amorphes La porosité de la matière : La chaleur est mieux conduite par la matière pure que par l’air. La conductivité thermique de l’air immobile est très faible: elle est de l’ordre de  = 0,024 W/m°C. La conductivité thermique est donc influencée par la porosité et la masse volumique des matériaux.

Facteurs influents sur la conductivité thermique Le type des pores  des matières à pores fermés est inférieur à celui des matières à pores ouverts et communicants. Les pores communicants favorisent un mouvement d’air entraînant le transfert de chaleur. Le diamètre des pores  Plus le diamètre des pores est grand plus la convection dans les pores croît et plus  augmente.

L’humidité et la température du corps considéré : La conductivité thermique de l’eau (eau = 0,597 W/m°C) est environ 25 fois plus grande que celle de l’air. Si l’humidité du matériau augmente et que l’eau vienne remplacer l’air dans les pores, le coefficient de conductivité thermique augmente sensiblement. Si l’eau gèle, la différence deviendra encore plus grande, et  atteint des valeurs plus élevées (glace= 2,25 W/m°C )

L'ISOLATION THERMIQUE L'isolation d'un bâtiment permet de diminuer les échanges de chaleur entre l'intérieur du bâtiment et l'environnement extérieur, Elle emprisonne la chaleur à l'intérieur en hiver et garde la maison fraîche en été.

Un isolant thermique est un matériau ayant une faible conductivité thermique. Sa caractéristique principale est de freiner les échanges de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment.

 ≤ 0.10 matériau isolant 0.10 <  < 8 matériau semi conducteur  ≥ 8 matériau conducteur de chaleur

Type d'isolant thermique Laine de verre Laine de roche Verre cellulaire Argile expansée Isolant minéral  Liège Fibres de bois Ouate de cellulose Laine de coton paille Isolant naturel  Polystyrène expansé Polystyrène extrudé Polyuréthane Isolant synthétique 

liège laine de roche Fibres de bois Laine de verre

Représentation schématique des différentes formes d’isolation  

LA RÉSISTANCE THERMIQUE Elle caractérise la résistance d’une paroi au passage d’un flux de chaleur La résistance thermique est le rapport entre l’épaisseur e du matériau et sa conductivité thermique. Rth = e/ en (m2 °C/W ) La valeur R est utile pour connaître l’épaisseur d’isolant souhaitée ou pour connaître l’épaisseur nécessaire pour obtenir une même isolation avec différents matériaux Plus 𝛌 est faible, plus la paroi résiste à la transmission de chaleur, meilleur est le niveau d’isolation.

R paroi = R1 + R2 … +.. Rn avec Ri = ei / 𝛌i La résistance thermique d’une paroi constituée de plusieurs couches se résume à la somme des résistances de chacune des couches. R paroi = R1 + R2 … +.. Rn avec Ri = ei / 𝛌i ei : épaisseur de la couche i et s’exprime en (m) 𝛌i : conductivité thermique de la couche i et s’exprime en (W/m.°C)

Conductivité thermique λi (W/m°C) EXERCICE Un mur extérieur d’une construction d’épaisseur totale de 35 cm est constitué de cinq couches. 1. Déterminer l’isolant approprié pour garantir une résistance thermique du mur Rth = 0,56 m2°C/W parmi les trois isolants suivants : Matière plastique dont λ = 0,17 W/m°C Air sec immobile dont λ = 0,024 W/m°C Matière plastique moussé dont λ = 0,06 W/m°C. Numéro de la couche Nature de la couche Épaisseur ei (cm) Conductivité thermique λi (W/m°C) 1 Mortier dense 3 1,26 2 Pierre à bâtir 12 1,57 Isolant - 4 Brique rouge 11,5 0,67 5 Plâtre dense 0,58

Résistance au feu C’est l’aptitude d’un matériau à résister à l’action des hautes températures sans perdre de sa capacité portante ( sans diminution sensible de résistance et sans déformations importantes). Elle indique donc le comportement au feu d’un élément donné de construction dans le sens de la durée pendant laquelle cet élément conserve certains caractères fonctionnels jugés essentiels. Ces réglements sont mis à jour en permanence. C’est souvent, comme enseignements après des événements catastrophiques que les régles sont modifiée pour éviter le même type de drame. En France la liste est longue, des magasins comme le feu des Nouvelles Galeries, aux dancings comme le Cinq Sept, L’école Pailleron à Paris, en passant par les récents feux dans les immeubles et hôtels Parisiens. Les recherches menées après l'effondrement du World Trade Centre en 2001 ont permis de modifier certaines données relatives aux règles de construction des immeubles de grandes hauteurs ; en particulier la nécessité de concevoir un dimensionnement rigoureux.

Résistance au feu La combustion d’un matériau se fait en présence et sous l’effet: - d’une matière combustible, - de l’oxygène comme agent d’oxydation, - d’une source d’allumage pour l’échauffement de la matière combustible à la température d’allumage. Ces réglements sont mis à jour en permanence. C’est souvent, comme enseignements après des événements catastrophiques que les régles sont modifiée pour éviter le même type de drame. En France la liste est longue, des magasins comme le feu des Nouvelles Galeries, aux dancings comme le Cinq Sept, L’école Pailleron à Paris, en passant par les récents feux dans les immeubles et hôtels Parisiens. Les recherches menées après l'effondrement du World Trade Centre en 2001 ont permis de modifier certaines données relatives aux règles de construction des immeubles de grandes hauteurs ; en particulier la nécessité de concevoir un dimensionnement rigoureux.

Résistance au feu En cas d’incendie, il est impératif que la structure reste stable pour permettre l’évacuation des personnes. Ces images illustrent les différents feux dans les constructions Habitations type Haussmann Péniches d’habitation Toitures Industrie etc….. Il est capital que tous les acteurs de la construction construisent des bâtiments qui soient à même de protéger à la fois les personnes et les biens aussi efficacement que possible en employant les meilleurs matériaux afin de combattre et limiter ses effets dévastateurs

Priorités en cas d’incendie: Résistance au feu Priorités en cas d’incendie: Stabilité des éléments porteurs Limitation de la propagation du feu Limitation du feu aux ouvrages voisins Évacuation facile des occupants Prise en compte de la sécurité des sauveteurs

Les matériaux sont classés Matériaux incombustibles (Acier, béton, verre, pierre, produits céramiques, brique, plâtre) Matériaux peu combustibles (Bois ignifugé) Les traitements ignifuges sont un apprêt chimique de protection qui rend résistant au feu une matière inflammable. Un produit ignifuge protège donc les matériaux sur lesquels il est appliqué en retardant ou en stoppant la propagation des flammes. C’est un élément de protection passive contre l'incendie Matériaux combustibles

Résistance au feu Du point de vue physico chimique, Lors de l’échauffement d’une structure apparaissent des phénomènes intrinsèques au béton. Départ d’eau aux faibles températures (eau libre et eau chimique de la pate cimentaire) Silicates de calcium hydraté. (CSH) Au delà de 350°C des transformations plus importantes apparaissent, la portlandite et les CSH se décomposent. Après les granulats changent de phase (G siliceux vers 570°C), les granulats calcaires se décarbonates ensuite vers 800)C°) Ces transformations accompagnées de phénomènes de dilatation et contraction conduisent à des fissuration et dégradation. La Résistance du matériau et son module diminue. La connaissance de ces données est nécessaire pour restaurer la construction après incendie.

LA RÉFRACTAIRITÉ Il s’agit pour le matériau de résister à l’action continue des hautes températures sans se déformer ni se fondre Matériaux réfractaires > 1580 °C Matériaux peu fusibles de 1350 à 1580 °C Matériaux fusibles < 1350 °C

Imperméabilité aux radiations nucléaires C’est la capacité d’arrêter les rayons gamma et les flux de neutrons dangereux pour les organismes vivants. Pour cela on utilisera les matériaux denses -Flux de neutrons : stoppés par les matériaux contenants une grande Quantité d’eau. - Les rayons γ : stoppés par les matériaux de masse spécifiques élevée (béton + plomb, béton + bore, cadmium ou lithium).

STABILITÉ THERMIQUE Pouvoir de résister à un certain nombre de cycles de variations calorifiques brusques sans se détruire

STABILITÉ CHIMIQUE Pouvoir de résister à l’action des acides, des bases, des solutions saline et des gaz