Que signifie la conductivité thermique ?

En général, la conductivité thermique de l’expression est la quantité de chaleur qui traverse un cube de matériau de 1x1x1 mètre en 1 seconde lorsqu’il y a un gradient de température de 1 K entre deux côtés opposés.

Cela fait de la conductivité thermique une propriété caractéristique du matériau avec son propre symbole (λ – “lambda”) et son unité SI propre, W / mK. Sa valeur réciproque est la résistance thermique spécifique.

Définition scientifique

La définition scientifique de la conductivité thermique la définit comme la propriété matérielle qui décrit le transport de la chaleur à l’intérieur d’un échantillon. Pour une température donnée de l’échantillon, elle est obtenue à partir du produit de la densité, de la diffusivité thermique et de la capacité thermique spécifique à cette température (équation 1) et peut être décrite comme le quotient négatif de la densité du flux de chaleur et du gradient de température (équation 2). L’exemple de l’équation 3 sert d’illustration.

λ = ρ * cp * α (1)

λ = conductivité thermique, ρ = densité, cp = capacité thermique spécifique, α = diffusivité thermique.

λ = -q / ∆T (2)

λ = conductivité thermique, q = densité de flux thermique moyen, ∆T = gradient de température

Si cette définition est utilisée pour considérer, par exemple, un échantillon cylindrique, les calculs suivants peuvent être effectués : Si l’on considère un cylindre idéal homogène de longueur l et de section transversale constante A, isolé sur ses côtés et ne pouvant subir qu’une seule variation de température à ses deux extrémités, le gradient de température le long de sa longueur est (∆T) / l. La densité du flux thermique, dirigée de l’extrémité chaude vers l’extrémité froide, est λ * (∆T) / l.

En considérant la section transversale A, il y a un flux thermique Q qui peut être calculé avec (équation 3) :

Q = (A * λ * ∆T) / l (3)

λ = la conductivité thermique, Q = le flux de chaleur, ∆T = le gradient de température, A = la section transversale, et l = la longueur.

Mesure de la conductivité thermique (méthodes) :

Les méthodes de mesure pour déterminer la conductivité thermique sont nombreuses et variées, mais elles peuvent être divisées en deux groupes de base pour une meilleure compréhension : méthodes de mesure transitoire et méthodes de mesure en régime permanent.

Dans notre vidéo, nos deux scientifiques expliquent la différence entre ces méthodes.

Si un matériau est chauffé localement, la répartition de la température à l’intérieur du corps change jusqu’à ce qu’elle soit uniformément répartie et stable après un certain temps. La phase qui suit de peu le début de l’apport de chaleur, au cours de laquelle la répartition de la température change encore, est appelée phase transitoire. Lorsque la répartition de la température est stable, on parle d’état d’équilibre.

Méthodes de mesure en régime permanent

Les méthodes à plaques telles que la “Plaque Chauffante Protégée“, le “Mesureur de Flux Thermique“, ou le “Testeur de Matériau d’Interface Thermique” appartiennent aux méthodes de mesure en régime permanent.

L’échantillon de matériau est placé entre une plaque chauffée et une plaque refroidie. Cela crée un gradient de température et, par conséquent, un flux de chaleur à travers l’échantillon, qui est surveillé jusqu’à ce qu’il atteigne une valeur finale constante.

En connaissant l’épaisseur de l’échantillon et le flux de chaleur mesuré, la conductivité thermique de l’échantillon peut être calculée. Avec le testeur TIM, la résistance thermique sous charge variable ou compression peut être mesurée, et à partir de là, la conductivité thermique et la résistance thermique de contact peuvent être déterminées.

Méthodes de mesure transitoire

La méthode du flash laser est l’une des méthodes de mesure transitoire et est basée sur un brevet de 1975. Malgré son coût élevé et sa complexité, elle est encore largement utilisée aujourd’hui. Et pour de bonnes raisons ! Avec la méthode du flash laser, les matériaux peuvent être testés entièrement automatiquement, même à des températures extrêmes allant jusqu’à 2 800 degrés Celsius. Pour la mesure, le disque d’échantillon est exposé sur un côté à une impulsion thermique courte et à haute énergie provenant d’un laser ou d’une lampe flash. L’augmentation de température résultante du côté opposé est enregistrée avec un détecteur infrarouge. En rapport avec l’épaisseur de l’échantillon, cela permet de calculer la diffusivité thermique à l’aide d’un modèle de conductivité thermique.

Les méthodes des fils chauffants et des bandes chauffantes sont largement utilisées, par exemple sous la forme de la méthode du Pont Thermique Transitoire, et appartiennent également aux méthodes de mesure transitoire. Elles peuvent être trouvées dans une grande variété de configurations de capteurs, peuvent être utilisées de manière flexible et offrent la gamme la plus large possible d’applications et de mesures. Incorporé dans un substrat de support, le fil chauffant émet un flux de chaleur constant pendant la mesure, ce qui provoque une distribution de température variant dans le temps dans l’échantillon ainsi que dans le capteur lui-même. L’augmentation de température au fil du temps est mesurée par un thermomètre intégré et sert de mesure des propriétés de transport thermique du matériau.

Caractéristique spéciale : Mesure de la conductivité thermique sur des couches minces

La mesure de la conductivité thermique sur des films minces dans la plage de nanomètres à micromètres est un cas spécial. Bien que certains des mêmes principes de mesure puissent être utilisés à cette fin, les formes de mise en œuvre – time-domain thermoreflectance au lieu de LaserFlash et la méthode 3 Omega en tant que forme spéciale de la méthode de la bande chauffante – diffèrent considérablement afin de répondre aux conditions limites modifiées.