Lorsqu’il s’agit de matériaux haute température et de textiles techniques, la gestion de la chaleur est cruciale pour de nombreuses industries. La conduction thermique est l’un des principaux mécanismes qui régissent le transfert de chaleur dans ces matériaux. Dans cet article, nous vous expliquons le principe de la conduction thermique et ses enjeux dans les applications industrielles.
Conduction thermique : définition
La conduction thermique est un des 3 types de transferts thermiques avec la convection et le rayonnement.
On parle de conduction quand il y a un échange d’énergie par contact de particules (pour les liquides et gaz) ou d’électrons et de phonon (dans le cadre d’un solide) entre deux corps. Lors du contact, une particule du corps chaud cède à une particule du corps froid une partie de son énergie cinétique. C’est ce qu’on appelle l’agitation thermique.
La conduction thermique, aussi appelée diffusion, est donc un transfert thermique entre deux corps sans déplacement de matière causé par une différence de chaleur. Le flux de chaleur se déplace du corps chaud vers le corps le plus froid.
La conduction est un phénomène irréversible.
La capacité d’un corps à transférer de la chaleur par conduction s’appelle la conductivité thermique. Elle s’exprime en Watt par mètre kelvin (W.m−1.K−1).
Pour les plus « matheux » d’entre vous, elle intervient dans la loi de Fourier comme rapport de l’énergie thermique transféré par unité de temps et de surface.
Avec φ la densité de flux thermique en Watt (W), λ la conductivité thermique, δT/δx le gradient de température avec T la température en Kelvin (K).
Les facteurs influençant la conduction thermique
Plusieurs facteurs influencent la capacité d’un matériau à conduire la chaleur.
La conductivité thermique est une propriété intrinsèque du matériau qui mesure sa capacité à conduire la chaleur. On parle de conducteur thermique, comme les métaux, quand la chaleur se disperse rapidement dans le solide. Au contraire, on parle d’isolant thermique, quand elle ne se dissipe pas dans le matériau. Vulgairement, ce phénomène s’explique par le fait que les molécules n’ont pas la place de se déplacer au sein du solide.
L’épaisseur du matériau joue un rôle dans la conduction thermique. Plus un matériau est épais, plus il offre de résistance à la conduction thermique entre sa surface chaude, celle qui est en contact avec le matériau chaud, et sa surface froide, la surface opposée.
L’interface matériau-matériau affecte aussi l’efficacité de la conduction thermique. Plus la surface de contact est élevée, plus la chaleur se transférera du matériau chaud au matériau froid. Les techniques d’assemblage et de revêtement peuvent améliorer cette interface.
D’autres facteurs comme la température ou la nature du matériau ont une influence sur le phénomène de conduction thermique.
Quelques exemples de conduction thermique dans l’industrie
Ce phénomène de transfert de chaleur intervient dans de nombreux secteurs industriels.
C’est le cas par exemple pour les industries lourdes de type métallurgie ou hauts-fourneaux. Dans d’énormes fours, ces industries utilisent différents types de transfert thermique pour fondre et mettre en forme le métal.
Mais les bienfaits de la conduction thermique s’arrêtent quand elle menace l’intégrité de certains composants ou des opérateurs. C’est la raison pour laquelle on utilise des textiles techniques qui servent d’isolants pour contenir la chaleur à l’intérieur des fours.
On retrouve aussi des phénomènes de conduction dans une grande partie des tuyauteries destinées au chauffage par exemple. Dans ce genre d’installation, on souhaite que la chaleur reste contenue dans les tuyaux pour éviter les déperditions de chaleur et améliorer le rendement de l’installation. Là aussi, utiliser des isolants fibreux sous forme de calorifugeage s’avère être une solution efficace.
Bien entendu, cette liste est loin d’être exhaustive…
Différence entre conduction et convection
Comme on l’a vu dans la première partie, la conduction thermique est un échange de chaleur au niveau moléculaire sans transfert de matière.
La convection thermique est elle aussi un échange thermique au niveau microscopique. La différence, c’est qu’un échange de matière s’exerce ici. C’est le cas notamment des liquides et des gaz. Refroidir son café avec du lait froid, c'est créer un phénomène de convection thermique.
Comment éviter les phénomènes de conduction
Le seul moyen d’éviter le phénomène de conduction thermique est d’utiliser un isolant thermique. Céramique, réfractaire ou produits textiles, leur pouvoir isolant dépend de leur conductivité thermique. Plus la conductivité est faible, plus le matériau est isolant.
À conductivité égale, c’est l’épaisseur du matériau qui influencera sa capacité à isoler de la chaleur.
Dans certains processus industriels, la conduction thermique est une nécessité pour la fabrication de certaines productions ou la circulation de fluides caloporteurs. Mais quand des températures extrêmes entrent en jeu, ce phénomène ne doit pas menacer l’intégrité de l’installation ou des opérateurs. Dans ce cas, choisir des solutions d’isolation efficaces est nécessaire. Si vous avez des questions concernant l’isolation d’une partie de votre ligne de production, n’hésitez pas à nous contacter.
