La thermique appliquée à la construction

Partie 1

La température

La température est une mesure de l’agitation des particules

Par exemple, plus un gaz est chaud, plus ses molécules se déplacent rapidement. L’agitation moléculaire est appelée agitation thermique. La température est une mesure de cette agitation. L’absence d’agitation thermique correspond au zéro absolu 0°K (zéro Kelvin) : les molécules auraient alors une vitesse nulle. C’est la température la plus basse qui puisse exister (donc toutes les températures en Kelvin sont positives). La chaleur est le transfert de l’agitation thermique d’un corps à un autre, même si dans le langage courant elle est assimilée à l’énergie d’agitation elle-même.

Cette agitation se transmet du chaud vers le froid…

Le sens
Les particules agitées (environnement chaud) mettent en mouvement les particules calmes (environnement froid).

… sous forme de chaleur

On appelle flux de chaleur traversant une surface donnée la quantité de chaleur qui s‘en écoule, pendant l’unité de temps.
Le transfert d’énergie s’effectue du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid. Tous les corps (solide, liquide ou gazeux) subissent ce phénomène d’échange qui se poursuit jusqu’à ce qu’ils possèdent la même agitation (température). L’utilisation de matériaux isolants ou conducteurs permet d’intervenir sur l’intensité de l’énergie transmise. Le premier ralenti le transfert d’agitation, le deuxième le facilite. L’échange d’énergie se fait par conduction, rayonnement et convection. Ces modes de transmission sont bien souvent «cumulés». L’unité de mesure légale de la chaleur est le Watt (W).

Partie 2

Les trois modes de transferts thermiques

Conduction Ce transfert se fait dans les milieux solides donc sans déplacement de matière à l‘échelle macroscopique. L’agitation (énergie cinétique) des particules est donc transmise par contact de proche en proche. Par analogie, dans un boulier de Newton la conduction est représentée par les billes qui restent immobiles tout en transmettant l‘énergie cinétique.	Convection Ce transfert, qui se fait dans les milieux liquides et gazeux, entraîne un déplacement macroscopique de matière. Par exemple, l’eau au fond d’une casserole sur le feu chauffe et se dilate. Elle remonte donc à la surface où sa température s’abaissera au contact de l’air ambiant induisant un courant circulaire. Dans un boulier de Newton la convection est représentée par les billes d’extrémité qui se déplacent.	Rayonnement Ce transfert s’opère dans tous les milieux, vide compris, par ondes électromagnétiques, donc sans nécessité de matière. L’exemple le plus représentatif est le rayonnement solaire qui réchauffe la terre après avoir traversé le vide spatial.

Le calcul de la résistance globale : R global

R_paroi : résistance thermique de la paroi (conduction), en m².K/W
h_i : coefficient d’échange thermique intérieur
(convection et rayonnement).
h_e : coefficient d’échange thermique

Le calcul des résistances de parois

(exemple donné sur des murs)

			Φ : flux de chaleur qui traverse la couche (en W) e : épaisseur de la couche (en m) λ : conductivité thermique du matériau composant la couche (en W/m.K) Matériaux λ (W/m.K) Béton de ciment 1,75 à 2 Béton cellulaire 0,23 Plâtre 0,8 Mortier de ciment 1,3 Polystyrène expansé 0,04 à 0,03
Paroi monocouche La résistance de la paroi est fonction de l’épaisseur et de la conductivité thermique du matériau	Paroi multicouche Le calcul se fait en additionnant les résistances de chaque couche	Paroi hétérogène Le calcul se fait en additionnant les flux de chaleur de chaque partie

Partie 3

L’inertie doit stabiliser la température intérieure…

… Par le biais de deux phénomènes de stockage et de délai de restitution de la chaleur emmagasinée :

• le déphasage D qui s’exprime en heure (h)
• l’amortissement A qui s’exprime en °C.

Cela dépend de la vitesse d’absorption du mur…

L’effusivité

Vitesse d’absorption par convection ou rayonnement

… de la rapidité de propagation dans la paroi…

La diffusivité

… et de sa capacité de stockage de l’énergie :

la capacité thermique

Elle représente la quantité d‘énergie qu’emmagasine un matériau avant d’augmenter sa température de 1°C. Plus la capacité thermique d’un matériau est grande plus il faut d‘énergie pour augmenter sa température d’1°C. Ce paramètre est fonction de la masse volumique du matériau et de sa chaleur spécifique.