Les propriétés thermiques de la matière

Résumé du document

L'étude des propriétés thermiques des matériaux permet l'interprétation des réactions de ces matériaux aux variations de température.
Les paramètres les plus importants pour étudier les propriétés thermiques des matériaux sont :
- Capacité calorifique
- Dilatation thermique
- Conductivité thermique
Capacité calorifique : quantité de chaleur qu'il faut apporter au matériau pour augmenter sa température de 1°C. On distingue la capacité calorifique à volume constant (Cv, en J.mol-1. K-1) de la capacité calorifique à pression constante ( Cp, en J.kg-1.K-1).
Par définition, on a C (Cv ou Cp) = dQ/dT

Extraits

[...] De plus : énergie de vibration importante effet des centres diffuseurs importants propagation des phonons faible transfert de chaleur difficile. CAS DES POLYMÈRES : Isolants électriques ke k = kp. Les polymères sont des isolants thermiques diminution de la conductivité électrique CONTRAINTES THERMIQUES : Quand on chauffe un matériau, il se dilate. Quand on arrête de chauffer, le matériau tend à revenir à son état initial. Une variation de température d'un matériau est accompagnée d'un changement de ses dimensions. Dans la mesure où le matériau peut se dilater ou se contracter librement, il n'y aura pas de contrainte. [...]

[...] On dit que les atomes constituent des oscillateurs couplés. Les vibrations couplées des atomes produisent des ondes qui se propagent le long du matériau. A chaque vibration est associé une fréquence Ѵ donc une longueur d'onde λ. On parle d'onde élastique. La transmission de chaleur se fait par les ondes élastiques. La différence d'environnement chimique entre les atomes fait apparaître plusieurs fréquences dont seules certaines énergies sont permises (quantification de l'énergie). Par analogie au photon (quantum de rayonnement électromagnétique), on parle de phonon dans le cas des ondes élastiques dues aux vibrations des atomes. [...]

[...] Ce phénomène est caractérisé par le coefficient k appelé conductivité thermique en W.m-1.K-1). Dans le cas d'une seule direction, la loi obéit à l'équation suivante : Où q : flux thermique (en W.m-2). q = dT/dx MÉCANISMES PHYSIQUES Lorsque la température augmente : Vibrations atomiques déplacement des phonons Totalité des électrons dans la bande de conduction (énergie cinétique) Autrement : il existe une conductivité thermique due aux phonons et une conductivité thermique due aux électrons libres Donc on a : k = kp + ke Une élévation de température engendre des vibrations atomiques du matériau qui induisent des ondes élastiques dont le quantum est le phonon. [...]

[...] Remarque : la déformation engendrée par la variation de température est, d'après la loi de Bragg : Ɛ = (d-d0)/d0 avec 2d0sin(teta0) = n.λ et 2dsin(teta) = n.λ Eléments de réponses supplémentaires : - Pour choisir un matériau isolant thermiquement, il faut qu'il soit : Capable d'emprisonner une grande quantité d'air ou de gaz Dépourvu d'électrons libres La conductivité thermique d'un monocristal est plus grande qu'un polycristal. La conductivité thermique des matériaux amorphes est inférieure à la conductivité thermique des matériaux cristallins. [...]

[...] Dans ce cas, Cv devient indépendant de la température T. DILATATION THERMIQUE Un des effets de la température sur un matériau est son changement de dimension. Le matériau se dilate lorsque la température augmente et se contracte dans le cas contraire. Un changement de longueur d'un état initial l0 vers un état final l sous l'effet d'une variation de température d'une valeur T0 vers T est observé comme suit : / l0 = αe T0) Avec αe = coefficient de dilatation thermique (en qui indique la façon dont un matériau se dilate lorsqu'on chauffe. [...]