9 CONDUCTEURS DE CHALEUR ET LEURS CARACTÉRISTIQUES - SCIENCE - 2025

Les conducteurs thermiques sont des matériaux dont la structure est telle que la chaleur peut les traverser facilement. Il faut se rappeler que toute matière est composée d'atomes et de molécules en mouvement vibratoire constant, et que la chaleur se traduit par une plus grande agitation de ces particules.

Certains matériaux conduisent mieux la chaleur que d'autres, car leur configuration interne facilite ce flux d'énergie. Le bois, par exemple, n'est pas un bon conducteur de chaleur car il met beaucoup de temps à se réchauffer. Mais d'un autre côté, le fer, le cuivre et d'autres métaux le sont, ce qui signifie que leurs particules acquièrent l'énergie cinétique très rapidement.

La graisse thermique utilisée dans les puces informatiques est un bon conducteur de chaleur, mais pas d'électricité. Source: Wikimedia Commons.

C'est pourquoi les métaux sont les favoris pour la fabrication d'ustensiles de cuisine, tels que des casseroles et des poêles. Ils chauffent rapidement et atteignent des températures suffisamment élevées pour que les aliments cuisent correctement.

Cependant les poignées et les poignées, qui sont en contact avec les mains de l'utilisateur, sont constituées d'autres matériaux calorifuges. De cette façon, les casseroles sont faciles à manipuler même lorsqu'elles sont chaudes.

Types de conducteurs

En fonction de leur manière de conduire la chaleur, les matériaux sont classés en:

- Conducteurs thermiques: diamant et métaux tels que le cuivre, le fer, le zinc et l'aluminium, entre autres. Habituellement, de bons conducteurs d'électricité sont également de bons conducteurs de chaleur.

- Isolants thermiques: bois, caoutchouc, fibre de verre, plastique, papier, laine, anime, liège, polymères sont de bons exemples. Les gaz ne sont pas non plus de bons conducteurs.

Conductivité thermique des matériaux

La propriété qui caractérise intrinsèquement la manière dont chacun d'eux conduit la chaleur est appelée conductivité thermique. Plus la conductivité thermique d'une substance est élevée, mieux elle conduit la chaleur.

La conductivité thermique des substances est déterminée expérimentalement. Dans le SI International System of Units, la conductivité thermique est mesurée en Watt / (mètre x kelvin) ou W / (mK). Il est interprété comme suit:

Une autre unité de conductivité thermique utilisée dans les pays anglo-saxons est le BTUH / (ft.ºF), où BTUH signifie British Thermal Unit per hour.

La chaleur traverse le solide lorsqu'il y a une différence de température entre ses extrémités. Source: Wikimedia Commons.

Valeurs de conductivité thermique

Vous trouverez ci-dessous les conductivités thermiques de certains éléments et matériaux présents dans la nature et fréquemment utilisés dans l'industrie.

Cependant, il faut noter qu'il existe des composés synthétiques, encore en phase expérimentale, dont la conductivité thermique dépasse de loin celle du diamant, qui occupe la tête du classement.

La température est déterminante dans la valeur de la conductivité thermique des métaux. À mesure que la température augmente, la conductivité thermique augmente également (bien que la conductivité électrique diminue). Pour les non-métaux, la conductivité thermique est à peu près constante sur une large plage de températures.

Les valeurs du tableau sont spécifiées à 25 ° C et 1 pression atmosphérique.

Lors de la sélection d'un matériau pour ses propriétés thermiques, il faut tenir compte du fait qu'il se dilate avec la chaleur. Cette capacité est donnée par le coefficient de dilatation thermique.

Conducteurs de chaleur principaux

diamant

Le diamant est le meilleur conducteur thermique de la nature. Source: Robert Lavinsky via Wikimedia Commons.

C'est le meilleur conducteur thermique à température ambiante, bien meilleur que le cuivre et tout autre métal. Dans le diamant, qui est un isolant électrique, la chaleur ne passe pas par les électrons de conduction mais par la propagation de vibrations dans sa structure cristalline hautement organisée. Ces vibrations sont appelées phonons.

Il a également un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui signifie que ses dimensions resteront proches de celles d'origine lorsqu'il est chauffé. Lorsqu'un bon conducteur de chaleur ne conduit pas l'électricité, le diamant est la meilleure option.

En conséquence, il est largement utilisé pour éliminer la chaleur produite par les circuits dans les ordinateurs et autres appareils électroniques. Mais il a un inconvénient majeur: il est extrêmement coûteux. Bien qu'il existe des diamants synthétiques, ils ne sont pas faciles à fabriquer et ils sont également chers.

argent

Pièces d'argent

C'est un métal très apprécié pour l'ornementation en raison de sa brillance, de sa couleur et de sa malléabilité. Il est résistant à l'oxydation et parmi tous les métaux, c'est celui qui a la conductivité thermique la plus élevée, ainsi qu'une excellente conductivité électrique.

Pour cette raison, il a de multiples applications dans l'industrie, à la fois seul et en alliages avec d'autres éléments tels que le nickel et le palladium.

Avec de l'argent pur, des circuits imprimés, des câbles supraconducteurs à haute température sont fabriqués et des conducteurs utilisés en électronique sont revêtus, en plus d'être utilisés en alliage pour réaliser des contacts électriques.

Il présente l'inconvénient d'être relativement rare et donc coûteux, mais la combinaison unique de propriétés physiques pour ces applications en fait une excellente alternative, car il est très flexible et avec lui, on obtient des conducteurs de bonne longueur.

Cuivre

Fils de cuivre

C'est l'un des métaux les plus utilisés lorsqu'une bonne conductivité thermique est requise, car il ne se corrode pas facilement et son point de fusion est assez élevé, ce qui signifie qu'il ne fondra pas facilement lorsqu'il est exposé à la chaleur.

Son autre avantage est sa ductilité, en plus de ne pas être magnétique. Le cuivre est recyclable et coûte beaucoup moins cher que l'argent. Cependant, son coefficient de dilatation thermique est élevé, ce qui signifie que ses dimensions changent sensiblement lorsqu'il est chauffé.

En raison de ses bonnes propriétés thermiques, il est largement utilisé dans les ustensiles de cuisine, comme les pots en cuivre recouverts d'acier par exemple. Aussi pour fabriquer des échangeurs de chaleur dans les réservoirs d'eau chaude, dans les systèmes de chauffage central, les radiateurs de voiture et pour dissiper la chaleur dans les appareils électroniques.

Or

Masque d'or préhispanique

C'est le métal précieux par excellence et occupe une place prépondérante dans l'histoire de l'humanité. En dehors de cette signification particulière, l'or est malléable, résistant et un excellent conducteur de chaleur et d'électricité.

Puisque l'or ne se corrode pas, il est utilisé pour transporter de petits courants dans les composants électroniques à semi-conducteurs. Ces courants sont si faibles qu'ils peuvent être facilement interrompus au moindre signe de corrosion, c'est pourquoi l'or garantit des composants électroniques fiables.

Il est également utilisé pour fabriquer des connecteurs de casque, des contacts, des relais et des câbles patch. Les appareils tels que les smartphones, les calculatrices, les ordinateurs portables et les ordinateurs de bureau, et les téléviseurs contiennent de petites quantités d'or.

Les verres spéciaux pour les espaces de climatisation contiennent également de l'or dispersé, de telle sorte qu'ils aident à refléter le rayonnement du soleil à l'extérieur, en gardant la fraîcheur à l'intérieur quand il fait très chaud. De la même manière, ils contribuent à maintenir la chaleur interne du bâtiment en hiver.

Lithium

Batterie aux ions lithium. Auteur: M. ち ゅ ら さ ​​ん. Lithium_Battery * journée de photographie, août 2005 * photographe Aney. Source: Wikimedia Commons.

C'est le plus léger de tous les métaux, bien que très réactif donc il se corrode facilement. Vous devez également le manipuler avec beaucoup de prudence, car il est hautement inflammable. De ce fait, bien qu'il soit abondant, il ne se trouve pas à l'état libre mais dans des composés, c'est pourquoi il doit être isolé généralement par des méthodes électrolytiques.

Sa conductivité thermique est similaire à celle de l'or, mais elle est beaucoup moins chère que cela. Le carbonate de lithium est un composé utilisé dans la fabrication de verre et de céramique résistant à la chaleur.

Une autre utilisation répandue du lithium est la fabrication de batteries légères de longue durée, pour lesquelles le chlorure de lithium est utilisé pour extraire le lithium métallique. Ajouté dans le traitement de l'aluminium, il augmente sa conductivité électrique et abaisse les températures de fonctionnement.

Aluminium

Seau en métal en aluminium. Source: Carsten Niehaus

Ce métal léger, peu coûteux, très résistant et facile à travailler est l'un des principaux matériaux utilisés pour fabriquer des échangeurs de chaleur dans les équipements de climatisation, tels que les climatiseurs et les radiateurs.

Tant au niveau national qu'industriel, les ustensiles en aluminium sont largement utilisés dans les cuisines du monde entier.

Les ustensiles en aluminium tels que les casseroles, les poêles et les plaques à pâtisserie sont extrêmement efficaces. Ils ne changent pas la saveur des aliments et permettent à la chaleur de se répandre rapidement et uniformément lors de la cuisson.

Quoi qu'il en soit, les casseroles et poêles en aluminium ont été remplacées par l'acier inoxydable, qui n'est pas aussi bon conducteur de chaleur. En effet, l'acier inoxydable ne réagit pas avec les acides plus forts, comme la sauce tomate par exemple.

C'est pourquoi il est préférable de faire des sauces tomates dans des ustensiles en acier, pour éviter que l'aluminium ne pénètre dans les aliments, car certains ont associé l'aluminium - présent dans les antiacides, les talcs, les déodorants et bien d'autres produits - à l'apparition de maladies dégénératives, bien que la plupart des experts, ainsi que la FDA, rejettent cette hypothèse.

Casserole en aluminium au premier plan. Source: Pixabay.

Les ustensiles de cuisine en aluminium anodisé ne présentent pas de risque de dégagement de particules d'aluminium et peuvent en principe être utilisés avec une plus grande sécurité.

Bronze

Le bronze de ces anciennes cloches démontre l'utilité des métaux à des fins ornementales ou religieuses. Source: Pxhere.

Le bronze est un alliage de cuivre et d'étain principalement, avec d'autres métaux dans une moindre mesure. Elle est présente depuis l'Antiquité dans l'histoire de l'humanité.

Il est si important qu'une période de la Préhistoire ait même été nommée l'âge du bronze, l'époque où les gens ont découvert et ont commencé à utiliser les propriétés de cet alliage.

Le bronze est résistant à la corrosion et facile à travailler. Initialement, il était utilisé pour fabriquer divers ustensiles, outils, bijoux, objets d'art (sculptures par exemple) et armes, ainsi que pour frapper des pièces de monnaie. Aujourd'hui, il est encore utilisé pour fabriquer des tuyaux, des pièces mécaniques et des instruments de musique.

Zinc

Verre de montre avec oxyde de zinc. Source: Adam Rędzikowski

C'est un métal blanc bleuâtre très malléable et ductile, facile à travailler, mais avec un point de fusion bas. Il est connu depuis l'Antiquité, principalement utilisé dans les alliages.

Il est actuellement utilisé pour galvaniser l'acier et ainsi le protéger de la corrosion. Également pour fabriquer des piles, des pigments et fabriquer des feuilles de zinc spéciales pour l'industrie de la construction.

Fer

De la limaille de fer sur un aimant. Source: Aney via Wikimedia Commons.

Le fer est un autre métal d'une grande importance historique. Comme le bronze, le fer est lié à une étape de la préhistoire dans laquelle de grandes avancées technologiques se sont produites: l'âge du fer.

Aujourd'hui, la fonte continue d'avoir de nombreuses applications pour fabriquer des outils, des ustensiles, dans la construction et comme matériau pour la fabrication de pièces automobiles.

Le fer est un très bon conducteur de chaleur, comme nous l'avons vu. Les objets en fer diffusent très bien la chaleur et la conservent longtemps. Il possède également un point de fusion élevé, ce qui le rend résistant aux températures élevées, d'où son utilité dans la fabrication de tous types de fours, aussi bien industriels que domestiques.

Références

1. CK-12. Conducteurs et isolants thermiques. Récupéré de: ck12.org.
2. Cuivre: propriétés et applications. Récupéré de: copperalliance.org.
3. Effunda. Propriétés des matériaux solides communs. Récupéré de efunda.com
4. Hill, D. Propriétés thermiques de la fonte. Récupéré de: ehow.com.
5. King, H. Les nombreuses utilisations de l'or. Récupéré de: geology.com.
6. Lithium. Récupéré de: gob.mx.
7. Physique re-créative. Transmission de chaleur. Récupéré de: fisicarecreativa.com.
8. Wikipédia. Liste des conductivités thermiques. Récupéré de: es.wikipedia.org.