La conductivité thermique mesure la capacité des matériaux à laisser passer la chaleur via la conductance. La conductivité thermique d’un matériau tel que le métal dépend fortement de la composition et de la structure.
Les métaux sont généralement connus pour être des conducteurs thermiques très efficaces.
Cet article explorera les mécanismes de transfert de chaleur, ce qui rend les métaux conducteurs thermiques idéaux et les utilisations des alliages de métaux communs&.
L’importance de la conductivité thermique dans la vie quotidienne
Image 1. A
Image 1. B
Image 1. A et B montrent des illustrations visuelles d’individus dans la cuisine utilisant des fournitures de cuisine.
La cuisine fait partie de la vie quotidienne de la plupart des gens. Par conséquent, les appareils de cuisson sont conçus dans le but d’assurer une sécurité et une efficacité maximales. Cela nécessite une compréhension de la physique thermique. Il y a une raison pour laquelle l’élément chauffant d’un grille-pain est généralement constitué de fils nichromes, les cuillères à mélanger ont tendance à être en bois et la construction matérielle des mitaines de four n’impliquerait jamais un composé métallique.
Définition de la température &Conduction thermique
Il est nécessaire de rappeler la définition de la température pour comprendre mathématiquement la conduction thermique.
Définition opérationnelle de T:
La définition opérationnelle de la température est la valeur mesurée avec un thermomètre qui mesure simplement l’expansion du volume de mercure.
Image 2. Illustration de deux thermomètres en unités Celsius et Fahrenheit
Physique Définition de T:
En physique thermique, la température et la conduction thermique sont comprises en étudiant le mouvement des molécules.
Schroeder, l’auteur de « Introduction à la physique thermique » décrit mathématiquement la température comme:
où :
S = entropie,
U = énergie,
N = nombre de particules,
V = volume du système (Schroeder, 2007).
Par conséquent, la température d’un système dépend de l’entropie et de l’énergie lorsque le nombre de particules et le volume d’un système sont maintenus constants.
Schroeder déclare en mots: « La température est une mesure de la tendance d’un objet à abandonner spontanément de l’énergie à son environnement. Lorsque deux objets sont en contact thermique, celui qui a tendance à perdre spontanément de l’énergie est à la température la plus élevée ” (Schroeder, 2007). En effet, les deux objets en contact vont essayer d’atteindre l’équilibre thermique; devenir la même température.
Pour visualiser la température et la conduction thermique à un niveau microscopique, les figures 1 A et B sont illustrées ci-dessous. Imaginez qu’un objet inconnu A et B soient en contact physique l’un avec l’autre. L’objet A a une température plus élevée que l’objet B. Qu’adviendra-t-il de la température sur une durée de temps?
Figure 1. A
Figure 1.B
Figure 1.A illustre deux objets inconnus en contact physique l’un avec l’autre, et la figure 1.B affiche les molécules des objets.
At t0, TA > TB
At t1, TA > TB
At tn, TA = TB
At t0, ŝA > ŝB
At t1, ŝA > ŝB
At tn, ŝA > ŝB
Given that tn: a point in time, TA: temperature of object A, TB: temperature of object B, ŝA: average speed of A particle, ŝB: average speed of B particle.
À t0, les atomes de l’objet A se déplacent à une vitesse plus rapide et les atomes de l’objet B se déplacent à une vitesse plus lente (TA >TB). Au fil du temps, l’objet A abandonne de l’énergie et l’objet B gagne de l’énergie jusqu’à ce qu’ils aient la même température (TA = TB) et atteignent l’équilibre thermique. C’est la conduction thermique décrite au niveau moléculaire. Les atomes les plus proches de l’objet A se heurtent à des atomes de l’objet B. Les atomes de l’objet B qui ont eu l’interaction initiale avec les atomes de l’objet A se heurtent à plus d’atomes de l’objet B jusqu’à ce que l’énergie soit transférée à travers tous les atomes de l’objet B.
Schroeder définit la conduction thermique comme « transfert de chaleur par contact moléculaire: des molécules en mouvement rapide se heurtent à des molécules en mouvement lent, abandonnant une partie de leur énergie dans le processus” (Schroeder, 2007).
Modes de transfert de chaleur pour les métaux
Il est utile de rappeler les trois modes de transfert de chaleur; convection pour les gaz / liquides, rayonnement pour les objets séparés par un espace vide et conduction pour les objets en contact direct.
La conduction thermique est également séparée en trois catégories: collisions moléculaires pour les formes gaz/liquide, vibrations de réseau pour les solides et électrons de conduction pour les métaux, comme illustré à la figure 2. dessous.
Figure 2. Modes de Transfert de chaleur.
La conduction thermique des métaux comprendra les collisions moléculaires + électrons de conduction pour les métaux à l’état gazeux, et les vibrations du réseau + électrons conducteurs pour les métaux à l’état solide. Les électrons de conduction sont essentiellement ce qui fait d’un métal un conducteur incroyable. Avant d’expliquer ce qu’est vraiment un électron de conduction, il est essentiel de rappeler la définition d’un métal.
Définition des métaux
Tous les éléments se trouvent sous le tableau périodique, y compris les Métaux, les Non-métaux et les métalloïdes. Les métaux sont définis comme des « éléments qui forment des ions positifs en perdant des électrons lors de réactions chimiques” (Blaber, 2015).
Figure 3. Tableau périodique montrant tous les éléments classés en Métaux, Non-métaux et Métalloïdes.
Tableau 1. Liste des propriétés physiques typiques des métaux.
Solide à température ambiante
Dur
Haute densité
Point de Fusion élevé
Point d’Ébullition Élevé
Malléable
Ductile
Brillant
Qu’Est-Ce Qui Fait Des Métaux De Bons Conducteurs Thermiques ?
Ce qui fait d’un métal un bon conducteur thermique, ce sont les électrons de conduction à écoulement libre.
Figure 4. Un bloc de métal chauffé affichant les atomes et les électrons libres.
Les atomes métalliques perdent des électrons de valence lorsqu’ils réagissent chimiquement avec des atomes non métalliques, par exemple en formant des oxydes et des sels. Ainsi, les ions métalliques sont des cations en solution aqueuse. Ce qui rend les métaux et les alliages métalliques de bons conducteurs, c’est la liaison métallique spéciale. Dans les solides métalliques, les atomes liés partagent leurs électrons de valence, formant une mer d’électrons de conduction en mouvement libre qui transportent à la fois la chaleur et la charge électrique. Ainsi, contrairement aux électrons dans les liaisons covalentes, les électrons de valence d’un métal peuvent circuler librement à travers les latex métalliques, transportant efficacement la chaleur sans être verrouillés à un noyau atomique individuel.
Modélisation mathématique de la valeur de conductivité thermique (k)
La conductivité thermique (k) mesure la capacité d’une entité à conduire la chaleur (Q).
Valeur k élevée: Conductivité thermique élevée
Figure 4. Une feuille de matériau avec l’équation de conductivité thermique.
Donné:
k = conductivité thermique (W/m • K),
ΔQ = transfert d’énergie (Joules/seconde),
Δt = changement dans le temps (secondes),
ΔT = gradient de température (K),
A = surface de conductivité thermique (m2),
Δx = épaisseur du matériau.
Valeurs de conductivité thermique pour les métaux et alliages
Les tableaux suivants présentent la conductivité thermique pour une sélection de métaux et d’alliages à température ambiante.
Tableau 2. Liste des propriétés physiques typiques des métaux.
| Metals | Thermal Conductivity at Room Temperature (W/m•K) |
|---|---|
| Aluminum | 226 |
| Aluminum alloy (Al Mg 2.5-5.0) | 125 |
| Carbon Steel | 71 |
| Magnesium | 151 |
| Brass (Yellow) | 117 |
| Bronze (Aluminum) | 71 |
| Copper | 397 |
| Iron | 72 |
| Stainless steel (446) | 23 |
| Steel alloy 8620 (cast) | 46 |
| Steel carbon type 1020 (0.2 – 0.6 c) | 71 |
| Tungsten | 197 |
| Lead | 34 |
| Nickel | 88 |
| Steel carbon type 1020 (0.2 – 0.6 c) | 71 |
| Zinc | 112 |
| Titanium | 21 |
| Tin | 62 |
Note: Copper and Aluminum have the highest thermal conductivity value (k). Check our material database.
Utilisations des métaux communs &Alliages dans le tableau ci-dessus
Les métaux et alliages (matériaux constitués d’une combinaison de métaux) ont des utilisations comme matériaux de construction dans différentes industries telles que l’électronique, l’ingénierie, les équipements de laboratoire, les dispositifs médicaux, les produits ménagers et la construction.
La valeur de conductivité thermique la plus élevée pour les métaux se trouve dans l’argent (-429 W / m • K), le cuivre (-398 W / m • K) et l’Or (-315 W / m • K).
Les métaux sont très importants dans la fabrication de l’électronique car ils sont de bons conducteurs d’électricité. Le cuivre, l’aluminium, l’étain, le plomb, le magnésium et le plastique sont souvent utilisés dans la fabrication de pièces de téléphones, d’ordinateurs portables, d’ordinateurs et d’électronique automobile. Le cuivre est rentable et utilisé pour le câblage électrique. Le plomb est utilisé pour le gainage de câbles et la fabrication de piles. L’étain est utilisé pour la fabrication de soudures. Les alliages de magnésium sont utilisés dans la production de nouvelles technologies car ils sont légers. Le plastique est utilisé pour fabriquer des pièces électroniques qui ne doivent pas conduire l’électricité et le titane est utilisé pour produire du plastique.
Les métaux sont également importants dans l’industrie de l’ingénierie. L’aluminium est souvent utilisé dans la fabrication de pièces planes automobiles & et utilisé comme alliage car sa forme pure est faible. La coulée automobile est en zinc. Le fer, l’acier et le nickel sont des métaux communs utilisés dans la construction et les infrastructures. L’acier est un alliage de fer et de carbone (et souvent d’autres éléments). L’augmentation de la teneur en carbone de l’acier crée de l’acier au carbone, ce qui rend le matériau plus résistant mais moins ductile. L’acier au carbone est souvent utilisé dans les matériaux de construction. Le laiton et le bronze (cuivre allié au zinc et à l’étain, respectivement) ont des propriétés de frottement de surface bénéfiques et sont utilisés pour les serrures &charnières et cadres de portes & fenêtres respectivement.
Enfin, traditionnellement, les filaments d’ampoule pour la lumière fluorescente sont en tungstène. Cependant, ceux-ci sont progressivement éliminés puisque seulement environ 5% de la puissance est convertie en lumière dans une source de lumière comme celle-ci, le reste de la puissance est converti en chaleur. Les sources lumineuses modernes sont souvent basées sur la technologie LED et les semi-conducteurs.
En conclusion, la conductivité thermique du métal est très importante pour la conception de toute structure. Il fait partie intégrante de la sécurité, de l’efficacité et des nouvelles innovations au sein des industries. Les électrons conducteurs sont le mécanisme à l’origine de la conductivité élevée des métaux par rapport aux matériaux non métalliques. Cependant, la valeur de conductivité thermique (k) peut également varier considérablement d’un métal à l’autre.
Schroeder, D.V. (2018). Une introduction à la physique thermique. Inde: Pearson India Education Services.
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Dioxyde de titane pour les plastiques. (s.d.). Extrait de https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center
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Images
Image 1.A: Mohamed, M. (2019). Dame de cuisine. Extrait de https://pxhere.com/en/photo/1584957.
Image 1.D: Mohamed, M. (2019). Cuisine du chef. Extrait de https://pxhere.com/en/photo/1587003.
Image 2: Wikipedia. Thermomètre . Extrait de https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
Auteur: Selen Yildir / Rédacteur technique junior / Thermtest