1.2 Les différents coefficients thermiques 2

d) La capacité thermique massique (c)

La capacité thermique massique ou chaleur spécifique c représente la quantité d’énergie à apporter à un kilogramme de matériau pour élever d’un degré Kelvin sa température. Cette grandeur intensive caractérise l’aptitude d’un matériau à se réchauffer lorsqu’il reçoit des calories : Son unité est le Joule par Kilogramme et par Kelvin (J.kg1.K-1). Voici ci-dessous les capacités thermiques de quelques matériaux :

Botte de paille : 90
Béton cellulaire : 215
Bois massif : 312
Peau : 400
Maçonnerie : 420
BTCC : 1025
Laine de bois semi-rigide (55 kg/m3) : 2100
Ouate de cellulose : 2110

e) L’effusivité (e) et théorème du contact thermique

L’effusivité thermique E d’un matériau est l’aptitude de celui-ci à échanger de l’énergie thermique avec son environnement : elle décrit la vitesse à laquelle les calories sont absorbées. Plus l’effusivité est faible, plus le matériau se réchauffe rapidement lorsqu’il reçoit un flux de chaleur. Au contraire, plus elle est élevée, plus le matériau absorbe des calories sans se réchauffer de façon notable. Cette grandeur intensive dépend directement de la masse volumique, la conductivité thermique ainsi que la capacité thermique massique : elle s’exprime en Joule par Kelvin par mètre carré et par racine de seconde (J.K-1.m-2.s-1/2) et se calcule par l’expression ci-dessous :

E=√λρ c ( λ est la conductivité thermique, ρ la masse volumique et c la capacité thermique massique)

Voici ci-dessous une liste des effusivités de divers matériaux :

Bois massif : 312
Maçonnerie : 420
Botte de paille : 90
Béton cellulaire : 215
Peau : 400
BTCC : 1025

Soit un matériau 1, d’effusivité E1 à la température T1, mis en contact avec un matériau 2 d’effusivité est E2 et de température T2. On suppose que la mise en contact se fait par une surface plane parfaitement lisse. On néglige donc la résistance de contact. Quelle est immédiatement après le contact la température de surface des deux matériaux ?
La réponse n’est évidemment pas T1 ni T2, mais assez vraisemblablement entre les deux. Ce n’est pas non plus (T1+T2)/2 car on conçoit que la diffusivité importe, ainsi que la capacité thermique des matériaux. La réponse est donc :

T = (E1T 1+E2T2) / (E1+E2)

Par exemple, si on pose la main sur du bois et de l’acier de même température (disons 20°C), l’acier paraît plus froid car son effusivité est de 14 000 J.K-1.m-2.s-1/2 et celle de la peau 400 J.K-1.m-2.s-1/2. La température alors ressentit par les capteurs de la peau au contact de cet acier sera Tacier calculée ci dessous :

Tacier = (14000×20+400×37) / (14000+400) = 20,47 °C

Par contre, pour le bois dont l’effusivité est de l’ordre de 400 J.K-1.m-2.s-1/2, la température ressentit Tbois sera :

Tbois = (400×20+400×37) / (400+400) = 28,5 °C

le bois est donc ressenti comme une matière « chaude », alors que sa température est la même que celle de la pièce
c’est à dire 20°C . Cette notion sera très importante pour traiter les surfaces intérieures d’un bâtiment car l’effusivité thermique de celles-ci intervient directement dans le confort thermique et la température ressentie par la sensation de froid ou de chaleur qu’elle engendre. En construction neuve ou en rénovation, elle est donc importante dans le choix des revêtements de sol et de murs.

f) La diffusivité (a)

La Diffusivité thermique a caractérise la capacité d’un matériau à transmettre rapidement une variation de température d’un point à un autre. Comme l’effusivité, la diffusivité thermique dépend à la fois de la masse volumique, la conductivité thermique et la capacité thermique massique. Par contre, contrairement à l’effusivité qui décrit la rapidité avec laquelle un matériau absorbe les calories, la diffusivité traduit la vitesse de déplacement des calories à travers la masse du matériau.
La Diffusivité thermique est une grandeur intensive et détermine l’inertie thermique d’un matériau. L’unité utilisée est le mètre-carré par seconde (m².s-1) :

a = λ /ρc ( λ est la conductivité thermique, ρ la masse volumique et c la capacité thermique massique).

g) Le déphasage thermique (D)

Le déphasage D d’une paroi monocomposant d’épaisseur connue représente le laps de temps entre le moment où elle reçoit des calories et le moment où elle transmet par rayonnement à son environnement immédiat. Cette valeur est donnée en Heure et dépend directement des caractéristiques du matériau constituant cette paroi (la masse volumique ρ , la chaleur massique spécifique c, la conductivité thermique λ ) ainsi que de l’épaisseur :

D = 0,023×épaisseur×√(ρ c / λ)

Le déphasage peut également être calculé à partir de l’épaisseur et de la diffusivité thermique a :

D=0,023×épaisseur×1 / √a

Voici un exemple de calcul de déphasage :
Prenons une toiture isolée en panneaux de laine de bois semi-rigide d’épaisseur 300 mm :
– masse volumique : 55 kg/m3
– conductivité thermique : 0,038 W.m-1.K-1
– chaleur massique spécifique : 2100 J.Kg-1.K-1
le déphasage D en heure de cette paroi est donc égale à :

D=0,023×0,3×√(55×2100 / 0,038) = 12,03 soit D = 12 Heures

En résumé, une telle isolation de toiture permet de créer un déphasage de 12 heures, ce qui permet lors des périodes chaudes d’avoir une température agréable dans les combles malgré la chaleur extérieure. Il sera donc important lors du choix de l’isolant de toiture de tenir compte de ce paramètre afin de déterminer l’épaisseur optimale d’isolation et d’assurer ainsi un confort thermique agréable toute l’année.

h) La sur-ventilation nocturne

Le principe de sur-ventilation thermique fonctionne en synergie avec l’inertie thermique afin d’assurer le confort d’été. En effet, durant la journée, la chaleur est accumulée dans les parois à forte inertie (avec un déphasage supérieur ou égal à 12 heures), ce qui préserve temporairement le bâtiment de la chaleur extérieure. Cependant, si l’on ne fait rien, cette chaleur va se diffuser progressivement pendant la soirée et cela peut engendrer une élévation de la température qui peut être inconfortable.
Afin d’éviter ce phénomène, il est conseiller d’évacuer la chaleur accumulée dans les parois à inertie en profitant de la baisse de la température extérieure en fin de journée. La sur-ventilation nocturne consiste donc à laisser entrer l’air frais extérieur afin de créer un courant d’air de convection qui va faire sortir l’air chaud et maintenir ainsi une température agréable.
Cette sur-ventilation peut s’effectuer de différentes façons : on peut tout simplement créer un courant d’air en ouvrant des fenêtres situées de préférence sur des façades opposées, ou alors utiliser la VMC double flux pour faire entrer l’air frais extérieur. Il existe d’autres méthodes mais les deux décrites ci-dessus semblent être les plus courantes et les plus simples.