Propriétés thermiques des matériaux

Ce chapitre est en cours de rédaction... Et certaines valeurs du tableau (ci-dessous en fin de chapitre) restent à vérifier... même si j'ai essayé d'établir une moyenne raisonnable de toutes les valeurs trouvées sur Internet.

Il traite des propriétés thermiques ou isolantes des matériaux que l'on utilise pour la construction des fours.

Il est là pour répondre aux nombreuses questions que se posent les constructeurs de fours amateurs sur le choix des matériaux. Des questions telles que celles-ci :
"Le sable agit-il comme accumulateur de chaleur ou comme isolant ?"
"Le granit est-il un bon accumulateur de chaleur ?"
"L'argile crue est-elle un meilleur accumulateur de chaleur que la brique cuite ?"

On trouve de nombreux tableaux de valeurs sur Internet mais ils sont souvent spécialisés sur des types de matériaux bien particuliers (métaux, gaz, isolants, matériaux pour le bâtiment) et les unités utilisées ne sont pas toujours les mêmes (Wh, j, cal, kcal, m3, tonne). Le tableau (ci-dessous en fin de chapitre) est bien évidemment orienté vers les matériaux utilisés dans la construction des fours à pain, mais il contient aussi quelques autres matériaux caractéristiques, pour comparaisons.

Propriétés, unités de mesure, symboles, correspondance des unités :

Les propriétés des matériaux qui intéressent les constructeurs de four sont :
   - La capacité thermique (accumulation de chaleur)
   - La résistance thermique (isolation) ou au contraire la conductivité thermique
   - L'effusivité (capacité à accumuler ou restituer rapidement la chaleur)

On commence avec des propriétés courantes s'exprimant dans des unités simples... Ensuite, ça va se compliquer un peu. Mais ne vous effrayez pas : Les unités apparemment complexes s'expriment sous forme d'un rapport d'unités, un peu comme la vitesse s'exprime en km/h :
Les unités au-dessus du trait de division sont favorables : Plus y'a d'kilomètres, plus ça va vite...
Les unités au-dessous du trait de division sont défavorables : Plus y'a d'heures, moins ça va vite!!
Exemple : 18km/2h, c'est plus vite que 2km/18h !!!

Masse et poids : On les confond souvent. La masse exprime une quantité de matière, le poids exprime la force de l'attraction terrestre sur cette masse au niveau de la mer.
1 litre d'eau (Capacité) occupe 1dm3 (Volume), a une masse d'1kg (Masse) et pèse 1kgp (Poids).
Les unités de masse les plus courantes sont le gramme (g), le kilogramme (kg) et la tonne (t).

Masse volumique : Un matériaux "lourd" aura une forte masse dans un petit volume, un matériaux "léger" aura une faible masse dans un grand volume.
Les unités de masse volumique les plus courantes sont le kg/dm3 et la t/m3.
L'eau a une masse volumique de 1 (1 kg/dm3, ou 1 t/m3).

Densité : On confond souvent "densité" et "masse volumique" !! La densité d'un matériau est le rapport entre sa masse volumique et celle de l'eau. Le nombre qui l'exprime est un nombre abstrait, sans unité. On dira par exemple que la densité du sable sec est 1.8 parce que sa masse volumique est de 1.8 kg/dm3.

Chaleur, travail, énergie : Ces trois notions sont physiquement équivalentes. Elles expriment l'énergie, le travail qu'il faut fournir, par exemple, pour soulever de 5 mètres une masse de 3 kilogrammes, pour élever de 10° une masse d'eau de 10kg, etc.
Les unités de travail les plus courantes sont le mètre.kilogramme (kgm), le watt.heure (Wh), le joule (j), la calorie (cal), la kilocalorie (kcal).
Que viennent faire les heures là-dedans ? Le watt est en réalité une unité de Puissance. Tout le monde sait qu'un moteur de 1000 W est deux fois plus puissant qu'un moteur de 500 W!! Cela signifie que le premier est capable de fournir deux fois plus de travail que le second dans un temps donné.
Le premier, en 2h, fournira 1000 W * 2h = 2000Wh.
Le second mettra deux fois plus de temps pour fournir le même travail : 500 W * 4h = 2000Wh.

Chaleur spécifique : C'est l'aptitude d'un matériaux à accumuler de la chaleur par unité de masse, c'est pourquoi on l'appelle parfois Capacité thermique massique.
L'unité la plus courante est le j/kg.°C, Mais on trouve aussi le Wh/kg.°C, le kj/kg.°C, la kcal/kg.°C.

Capacité thermique : (Symbole : C). = Chaleur spécifique * masse volumique. C'est l'aptitude d'un matériaux à accumuler de la chaleur par unité de volume.
L'unité la plus courante est le Wh/m3.°C. Mais on trouve aussi le j/m3.°C, le kj/m3.°C, la kcal/m3.°C. Ces unités expriment la quantité de chaleur qu'il faut fournir à 1m3 d'un certain matériaux pour éléver sa T° de 1° Kelvin ou Celsius.

Résistance thermique : (Symbole : R) C'est la propriété essentielle des matériaux isolants, leur capacité à ne pas se laisser traverser par un flux de chaleur. Elle se mesure en m².K°/W.

Coefficient de transmission calorifique : (Symbole : U) Nouvelle propriété à la mode sur les fiches techniques des fournisseurs de matériaux. Elle est tout simplement l'inverse de R et s'exprime en W/m².K°

Conductivité thermique : (Symbole : lambda). C'est la capacité d'un matériau à transmettre la chaleur. Elle s'exprime en W/m.K°. En général, les matériaux bons conducteurs du courant électrique sont également bon conducteurs de la chaleur!!!

Diffusivité : (Symbole : d). Elle exprime la vitesse à laquelle la chaleur se propage par conduction dans un matériau. Elle s'exprime en m²/h et non pas en m3/h comme vous le verrez souvent sur Internet!! En effet, elle est proportionnelle à la conductivité et inversement proportionnelle à la capacité thermique du matériau : d = lambda / C = (W/m.°C) / (Wh/m3.°C)... ce qui donne bien des m²/h !!! CQFD !!!

Effusivité : (Symbole : Ef). Voilà une propriété qui intéresse les constructeurs de four !!! C'est la capacité d'un matériau à accumuler ou restituer rapidement la chaleur. Elle s'exprime en j/m².s.K°. C'est cette propriété qui vous donne la sensation de froid ou de chaud lorsque vous touchez un objet. Par exemple, un objet en acier à 15° vous paraîtra plus froid qu'un objet en bois à la même T°, parce que l'effusivité de l'acier est plus grande que celle du bois.

Propriétés thermiques des matériaux de construction
(Ce tableau est ordonné suivant les valeurs décroissantes des Capacités thermiques)

Matériau	M-Vol kg/m3	Lambda W/m.°C	C Wh/m3.°C	d m²/1000*h	Ef j/m².s.°C
Eau	1 000,00	0,550	1507	0,37	?
Fer	7 870,00	73,000	1260	58,04	?
Acier	7 880,00	52,000	1045	34,45	13,98
Cuivre	8 900,00	387,000	980	395,00	36,66
Stéatite	2 950,00	6,400	810	7,90	?
Aluminium	2 700,00	230,000	695	330,00	24,00
Béton	2 300,00	1,750	600	2,92	1,94
Granit	2 600,00	3,000	505	5,95	2,34
Pierre calcaire	2 450,00	2,400	490	4,90	2,06
Mortier	1 950,00	1,150	460	2,50	1,38
Pierre meulière lourde	2 200,00	1,800	460	3,90	1,73
Brique	1 900,00	1,150	455	2,55	1,40
Bois lourd (chêne, hêtre)	800,00	0,230	435	0,53	0,60
Brique terre crue	1 800,00	1,100	425	2,59	1,30
Sable sec	1 800,00	0,400	395	1,01	0,76
Panneau de particules	600,00	0,140	385	0,37	0,44
Sol léger sec	1 500,00	0,360	315	1,14	0,64
Bois léger (résineux, peuplier)	400,00	0,120	300	0,40	0,36
Plâtre courant	900,00	0,350	270	1,30	0,58
Terre-Paille	300,00	0,110	136	0,51	0,60
Béton cellulaire	375,00	0,140	111	1,26	0,24
Polystyrène	15,00	0,040	7	5,70	0,03
Laine de verre, de roche	15,00	0,040	4	11,40	0,02
Air	1,29	0,024	0	51,00	?

Ce tableau va nous servir à comparer les matériaux de construction:
Ceux qui ont un "C" fort pourront accumuler beaucoup de chaleur. En revanche, s'ils ont également un "lambda" fort, ils ne sauront pas la garder très longtemps.

Quant aux matériaux ayant un "lambda" très faible, ils seront d'excellent isolants.