TP 1 : Conductivités thermiques de différents matériaux

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1 TP1 : Conductivités thermiques de différents matériaux 1 ère année de BTS SCBH TP 1 : Conductivités thermiques de différents matériaux Objectif : Comparer expérimentalement les conductivités thermiques de quelques matériaux. Classer les matériaux selon leurs propriétés isolantes, les coefficients de conductivité thermique λ étant donnés.(extrait du B.O). Rappels et données : PREMIÈRE PARTIE : LA CONDUCTION THERMIQUE La conduction thermique correspond à un transfert d énergie cinétique interne des atomes ou des molécules. L agitation de vibration se transmet de proche en proche, d une entité (qui vibre de moins en moins) à l entité voisine (qui vibre de plus en plus) jusqu'à équilibre. La conductivité thermique est la grandeur physique qui caractérise l aptitude d un corps à conduire la chaleur. Elle est symbolisée par la lettre grecque λ (lambda). La conduction thermique est le mode de transfert de chaleur associée à cette grandeur. Plus la conductivité thermique d un matériau est élevée, plus celui-ci conduit la chaleur, et donc moins il est isolant. Dans le système international d'unités, la conductivité thermique est exprimée en watts par mètre par kelvin (W.m -1.K -1 ). La conductivité thermique dépend principalement de la nature du matériau et de la température mais d autres paramètres tels que l humidité et la pression interviennent également. Quand la température augmente, un isolant perd de sa capacité d'isolation et, à l inverse, un conducteur perd de sa capacité de conduction. En général, la conductivité thermique va de pair avec la conductivité électrique. Par exemple, les métaux, bons conducteurs d'électricité sont aussi de bons conducteurs thermiques. Il y a toutefois des exceptions, le diamant, par exemple, a une conductivité thermique élevée, entre 1000 et 2600 W.m -1.K -1, alors que sa conductivité électrique est basse. Le tableau suivant donne les valeurs de la conductivité thermique de plusieurs métaux : Métal Conductivité thermique (1) W.cm 1.K 1 Aluminium 2,37 Argent 4,29 Cuivre 4,01 Fer 0,80 Or 3,18 Zinc 1,16 (1) à 298,2K Source Handbook of chemistry and physics 61 th edition CRC Press Matériel : Une étoile 4 métaux et son support Des petites boules de paraffine Une bougie chauffe plat Un briquet ou des allumettes Protocole expérimental : À l aide du matériel mis à votre disposition, proposez un protocole expérimental permettant d identifier la nature des métaux qui constituent les branches de l étoile et de compléter le schéma suivant sachant que l étoile est formée d une branche en fer, une en cuivre, une en zinc et une en aluminium :

2 1ère année de BTS SCBH TP1 : Conductivités thermiques de différents matériaux. Compléter la photo de l étoile. Observations : Classer les métaux par conductivité thermique décroissante :.>..>.. >.. DEUXIÈME PARTIE : NOTION DE RÉSISTANCE THERMIQUE D UN MATÉRIAU Objectifs : Mesurer la résistance thermique de certains matériaux. Comparer ces matériaux pour l appliquer à l isolation des bâtiments. Matériel : Ordinateur + tableur (Latis PLP) Bec électrique, 2 Thermomètres, 1 bécher Support + tige + noix atériaux en plaques : carton, verre, BA13, OSB, polystyrène, polystyrène styrodur Scotch, règles graduées, matériaux I. Introduction expérimentale I.1. Protocole expérimental L objectif est de simuler les parois d une habitation, et de tester l isolation de certains matériaux. On réalise le montage ci-contre. contre. On chauffe une face du matériau sur laquelle on a fixé un thermomètre. On mesure la température T1. Sur l autre face, on fixe un thermomètre, et on mesure la température T2. Remarque : ne pas trop rapprocher le matériau du bec électrique. Mesurer les deux températures avant tout chauffage. Chauffer le matériau sur une face, et attendre l évolution de la température ( C) 20 C) jusqu à ce qu elle se stabilise à peu près. Entre chaque mesure pour les matériaux, faire baisser rapidement la température dans un bécher d eau. Noter l épaisseur et la surface du matériau utilisé dans le tableau ci-dessous.

3 TP1 : Conductivités thermiques de différents matériaux 1 ère année de BTS SCBH I.2. Résultats et mesures Matériau Dimensions e = S = Température T1 Température T2 I.3. Réflexions En quoi la surface et l épaisseur des matériaux est-elle importante? II. Modélisation des observations L objectif est désormais d expliquer les résultats obtenus, en définissant une nouvelle grandeur, la résistance thermique Rth d un matériau. Après lecture et analyse des documents, répondre aux questions suivantes : Document 1 : fiche accompagnant la laine de roche ENFLOCONS DOCUMENT TECHNIQUE Isolation des combles perdus par soufflage de laine de roche. CONDITIONNEMENT Laine de roche en flocons conditionnée en sacs de 25 kg. FONCTIONNALITE Rapidité de mise en œuvre Continuité de l isolation (suppression des ponts thermiques) Isolation soufflée stable, sans fixateur Adaptation parfaite aux combles difficiles d accès (faible hauteur sous faîtage, trappe réduite, fermette). SÉCURITÉ INCENDIE La laine ENFLOCONS est classée M0 (non combustible). Elle ne participe pas au développement de l incendie et contribue à la protection des structures RÉSISTANCE THERMIQUE INTRINSEQUE Conductivité thermique pour une densité d application de 22,5 kg/m 3 : la mesure de la conductivité thermique de la laine de roche ENFLOCONS a été réalisée conformément à la Norme Française NF X , qui correspond à la méthode de la plaque chaude gardée. λ = 0,0427 W.m -1.K -1 Résistance thermique intrinsèque (en m 2.K/W) 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Epaisseurs (en cm) 8,5 10, ,5 Poids moyen (en kg/m 2 ) 1,9 2,4 2,9 3,4 3,8 4,3 4,7 5,2 5,7

4 TP1 Conductivités thermiques de différents matériaux 1 ère année BTS SCBH Conductivité thermique Propre au matériau Ne dépend pas de l épaisseur Résistance thermique intrinsèque Dépend de l épaisseur Passer de R à Lambda Prendre l inverse de R 1/1,1,35 = 0,741 Multiplier par l épaisseur en mm Diviser par 1000 (0,741 50) / 1000 = 0,038 Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance Page 4/6

5 TP1 Conductivités thermiques de différents matériaux 1 ère année BTS SCBH QUESTIONS Première partie : Appropriation de paramètres physiques utiles et relation entre eux 1.1 Comment la résistance intrinsèque R I de la laine de roche en flocons varie-t-elle avec l'épaisseur e? Aide : tracer le graphe R I = f(e) sur tableur, pour déterminer la relation entre R I et e. On pose : R I = k e 1.2 Déterminer la valeur numérique du coefficient k dans le système international d'unités. 1.3 Par une analyse dimensionnelle, montrer que k s'exprime en (m.k.w -1 ). 1.4 En réalité, k = où λ désigne la conductivité thermique du matériau. Cette relation est-elle en accord avec l'analyse dimensionnelle précédente? 1.5 Quelle est la valeur de la conductivité thermique de la laine de roche ENFLOCONS déduite du graphe précédent? Cette valeur est-elle elle en accord celle de la fiche technique (document 1)? Seconde partie : Vérification 2.1 Écrire la relation liant la résistance intrinsèque R I d'un matériau à sa conductivité thermique λ et à l'épaisseur e de la paroi. 2.2 Cette relation est-elle elle compatible avec les données du document 2? 2.3 Expliquer pourquoi, en exploitant les données du document 3, une épaisseur de 2 cm de laine de roche est aussi efficace qu'un mur de béton plein de 90 cm d'épaisseur. 2.4 D'après le graphique du document 3, quelle serait l'épaisseur de brique pleine donnant la même efficacité thermique? 2.5 Retrouver cette valeur par le calcul de la résistance intrinsèque de cette paroi. Troisième partie : Application 3.1 Calculer la résistance intrinsèque R I,acier d'une paroi d'acier de 2 cm d'épaisseur et la R I,poly de la même épaisseur de polystyrène expansé. 3.2 En déduire les valeurs des résistances thermiques des parois si elles présentent une surface de 10 m². 3.3 En déduire les valeurs des flux thermiques qui permettent le maintien d'un écart de température de 15 C de part et d'autre de ces parois. Quatrième partie : intérêt du double vitrage Certaines fenêtres à double vitrage possèdent deux vitres parallèles séparées par un gaz tel que l'argon. Elles permettent de mieux isoler les pièces d'une maison. La conduction est le mode prépondérant de transfert d'énergie à travers un double vitrage. Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance Page 5/6

6 TP1 Conductivités thermiques de différents matériaux 1 ère année BTS SCBH 4.1 Quels sont les autres modes de transferts possibles? 4.2 Dans quel sens a lieu le transfert d'énergie? On précise que dans le cas d'une paroi composite, c'est à dire formée de plusieurs couches de matériaux différents, la résistance thermique totale est la somme des résistances des différentes couches. 4.3 Calculer la résistance thermique de chacune des 3 parois composant le double vitrage, si la surface vitrée est de 1 m². 4.4 En déduire la résistance totale du double vitrage. 4.5 Quel sera la valeur du flux thermique qui le traverse. 4.6 Comparer cette valeur avec celle du flux traversant un simple vitrage d'épaisseur 8mm. 4.7 Dégager l'intérêt du double vitrage par rapport au simple vitrage. Données Conductivités thermiques : λ air = 0,026 W.m -1.K -1 ; λ argon = 0,017 W.m -1.K -1 λ verre = 1,2 W.m -1.K -1 III. Retour sur les résultats expérimentaux Dans la partie précédente, on a mis en évidence qu il est possible de déterminer la conductivité thermique d un matériau, donc de connaître sa capacité à isoler. On peut utiliser les deux relations suivantes : R I = = S R th T = R th Φ Exprimer λ en fonction de Φ, e, S et T. Si on estime que le flux thermique libéré par le bec électrique vaut Φ = 3W, on peut estimer une valeur numérique de conductivité pour chaque matériau. Comparer la valeur obtenue pour λ avec les valeurs référencées (ci-dessous) en faisant un calcul d incertitude. Évaluer les sources d incertitude. Données Conductivités thermiques : λ carton = 0,07 W.m -1.K -1 ; λ verre = 1,2 W.m -1.K -1 ; λ polystyrene = 0,036 W.m -1.K -1 ; λ BA13 = 0,25 W.m -1.K -1 ; λ OSB = 0,13 W.m -1.K -1 ; λ styrodur = 0,032 à 0,035 W.m -1.K -1. Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance Page 6/6