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Inertie thermique

L'inertie thermique d'un matériau est sa résistance au changement de température lorsque intervient une perturbation de son équilibre thermique.

Lorsqu'un matériau se trouve à l'équilibre thermique, sa température est fixe et les échanges de chaleur (par conduction, convection, rayonnement) qu'il entretient avec son environnement sont équilibrés (autant de chaleur reçue que de chaleur cédée). Lorsqu'une perturbation thermique l'amène vers une nouvelle température d'équilibre, l'inertie thermique est mise en évidence par le temps nécessaire pour atteindre ce nouveau point d'équilibre : si le matériau a une faible diffusivité thermique, il atteindra le nouvel équilibre au bout d'un temps long, si à l'inverse elle est élevée, il l'atteindra au bout d'un temps bref.

Le temps mis pour atteindre le nouvel équilibre est nommé temps caractéristique. Il dépend de la diffusivité thermique du matériau, mais aussi de l'écart entre les deux températures d'équilibre.

La notion d'inertie thermique est utilisée en particulier dans le secteur du bâtiment, dans le cadre de la conception des parois opaques extérieures. Les températures intérieures et surtout extérieures de ces parois varient fréquemment. En particulier, ces parois subissent l'influence thermique du rayonnement solaire. Les matériaux qui les composent doivent idéalement participer à la stabilité de la température intérieure, pour assurer un rôle de protection face aux aléas thermiques.

Dans le secteur industriel, maîtriser l'inertie thermique des éléments ou matériaux permet souvent d'optimiser les processus de fabrication.

Grandeurs pour quantifier l'inertie thermique d'un matériau

On quantifie l'inertie thermique essentiellement par :

  • la diffusivitĂ© thermique (ou ) du matĂ©riau, qui reprĂ©sente sa tendance Ă  favoriser la diffusion de la chaleur (de ce fait, dans le milieu du bâtiment, une faible diffusivitĂ© est souvent considĂ©rĂ©e comme Ă©tant une « bonne Â» valeur) ;
  • l'Ă©paisseur du matĂ©riau considĂ©rĂ© ; le temps caractĂ©ristique (auquel est liĂ© le dĂ©phasage thermique) dĂ©pend alors de ces deux premiers paramètres, puisqu'il est de l'ordre de ;
  • l'effusivitĂ© thermique du matĂ©riau considĂ©rĂ©, c'est-Ă -dire sa capacitĂ© Ă  Ă©changer de l'Ă©nergie thermique avec son environnement.

L'inertie thermique ne dĂ©pend donc pas uniquement de la densitĂ© des matĂ©riaux traversĂ©s. Par exemple, le bĂ©ton a une diffusivitĂ© Ă©levĂ©e (que l'on peut qualifier de « mauvaise Â»). Ainsi malgrĂ© sa masse volumique Ă©levĂ©e, la chaleur issue de l'absorption du rayonnement solaire traverse rapidement ce matĂ©riau et crĂ©e des surchauffes dans les constructions.

À la différence de la diffusivité thermique, qui décrit la rapidité d’un déplacement des calories à travers la masse d’un matériau, l’effusivité décrit la rapidité avec laquelle un matériau absorbe la chaleur. Plus l’effusivité est élevée, plus le matériau absorbe d’énergie sans se réchauffer notablement. Au contraire, plus elle est faible, plus vite le matériau se réchauffe. Par exemple, le béton a une effusivité élevée et donne une sensation de froid au toucher alors que le bois a une effusivité faible et ne donne pas une sensation de froid au toucher.

Effets dans le cas d'un bâtiment

Dans le domaine du bâtiment, on cherche à exploiter les comportements inertiels des matériaux pour gérer au mieux les aléas thermiques. La température extérieure ainsi que l'absorption du rayonnement solaire par les parois varient de façon périodique, à l'échelle d'une journée mais aussi d'une saison. La température à l'intérieur du bâtiment suit nécessairement ces variations, mais l'enveloppe du bâtiment crée un phénomène d'inertie thermique qui se manifeste par :

  • un amortissement, qui attĂ©nue les effets des canicules ou des grands froids
  • un dĂ©phasage, liĂ© au temps caractĂ©ristique mentionnĂ© plus haut, qui permet de retarder les effets (exemple : en Ă©tĂ©, le front de chaleur du rayonnement solaire pĂ©nètre dans la maison en fin de journĂ©e plutĂ´t qu'en matinĂ©e).

L'amortissement et le déphasage sont d'autant plus marqués que l'inertie thermique est grande.

On peut distinguer deux cas de figure oĂą intervient l'inertie thermique :

  • l'inertie en transmission, qui concerne l'attĂ©nuation de l'influence des conditions extĂ©rieures, notamment les impacts du rayonnement solaire sur la tempĂ©rature intĂ©rieure du bâtiment. Cette inertie repose essentiellement sur une isolation thermique avec une très faible diffusivitĂ© thermique du cĂ´tĂ© extĂ©rieur de l'enveloppe du bâtiment. La rĂ©sistance thermique de l'isolant mais surtout sa diffusivitĂ© jouent un rĂ´le important dans ce cas ;
  • l'inertie par absorption, qui concerne l'accumulation de chaleur ou de fraĂ®cheur dans les cloisonnements et les parois de la structure en contact avec l'intĂ©rieur du bâtiment. L'Ă©paisseur des parois lourdes n'a pas trop d'importance au-delĂ  d'une quinzaine de centimètres par face (accumulation de chaleur près de la surface).

Application dans la cuisson

Une cuisson démarrée de façon classique peut être achevée à l'inertie thermique en utilisant un caisson isotherme, selon une technique nommée Marmite Norvégienne.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Bibliographie

  • Jean Sicard, Analyse modale appliquĂ©e Ă  la thermique, thèse de doctorat, UniversitĂ© Pierre et Marie Curie, Paris, 1984 : une analyse de la notion « intuitive » d'inertie thermique, appliquĂ©e au cas du bâtiment, se trouve p. 117-119.
  • Pierre Fernandez et Pierre Lavigne, Concevoir des bâtiments bioclimatiques : fondements et mĂ©thodes, Le moniteur, Paris, 2009.
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