Diffusivité thermique

(a) en m²/s = λ / ρC

La diffusivité thermique caractérise la vitesse à laquelle la chaleur se propage, par conduction, dans un corps. Elle exprime la capacité d'un matériau à transmettre (rapidement ou non) une variation de température.

Plus elle est faible, plus le front de chaleur mettra du temps à traverser l'épaisseur du matériau, et donc, plus le temps entre le moment où la chaleur est arrivée sur une face et le moment où elle atteindra l'autre face est important. La diffusivité est le rapport de la conductivité d'un corps à sa capacité thermique.

Comment comprendre les valeurs de la diffusivité thermique des matériaux ?

Au premier abord, on remarque que des matériaux aussi différents que le béton ou le polystyrène expansé ont pratiquement la même grandeur de diffusivité thermique (4 à 8.10^-7 m²/s). Pourtant leur masse volumique est très différente, leur conductivité thermique également :

• Béton ordinaire : 5,5 à 8.10^-7

• Mortier : 4.10^-7

• Béton céllulaire : 4.10^-7

• Brique pleine : 5 à 6.10^-7

• Plystyrène expansé : 4 à 8.10^-7

• Laine minérale : 2 à 20.10^-7

• Bois : 1,5 à 2,5.10^-7

• Fibre de bois : 1,3 à 1,9.10^-7

Qu’est-ce que cela traduit physiquement ?

Soumis à la même énergie thermique, le béton conduit mieux la chaleur que le polystyrène. Une conductivité thermique en moyenne de 2 W/m.K pour le béton et de 0.04 W/m.K pour le polystyrène. Soit une capacité à conduire 50 fois plus de puissance thermique ! Mais comme sa capacité thermique est beaucoup plus élevée que celle du polystyrène sa température ne s’élève pas plus.

S’ils transmettent pratiquement de la même façon une variation de température, ils n’absorbent pas du tout la même puissance thermique. Le polystyrène conduit mal la chaleur et, sa capacité thermique étant faible, il absorbe peu de chaleur.

Avec l’effusivité, elle participe à l’inertie d’une paroi en permettant de gérer le temps de restitution de la chaleur à travers une paroi.

Déphasage et Vitesse d’onde : deux conséquences de la diffusivité

Lorsque le rayonnement solaire frappe la face extérieure d’une paroi, celle-ci élève sa température. Il faut un certain temps pour que l’onde de chaleur atteigne l’autre face de la paroi. Ce temps est lié à la capacité que l'ensemble des matériaux auront à transmettre ce front de chaleur, il est dépendant de la relation de la capacité thermique et de la conductivité de chaque composant.

Une paroi extérieure transmet l’onde de chaleur avec un retard ou décalage, appelé « déphasage ». Le déphasage, en heure, est lié à la diffusivité par la formule :

ϕ = 1,38 x e x 1/a^1/2 a = diffusivité et e = épaisseur en m

1,38 est le résultat de la simplification de la formule en considérant la période T comme égale à 24 heures

Le déphasage est donc proportionnel à l’épaisseur, et inversement proportionnel à la diffusivité de la paroi. Par exemple, d'après les caractéristiques physiques intrinsèques des matériaux listés ci-dessus, on peut conclure qu’ à épaisseur équivalente à celle d’un autre matériaux, une paroi en bois massif transmettra une onde thermique d’origine extérieure plus lentement puisque la diffusivité du bois est parmi la plus faible.

Dans la pratique, le diffusivité (et vitesse d'onde) au niveau du matériau, n'est pas en soi un élément pertinent pour parler de déphasage au niveau d'un local et d'un bâtiment. La diffusivité thermique, telle qu'exposée dans cette définition, caractérise la vitesse à laquelle un matériau restitue une variation de température. Elle combine conductivité, masse volumique et chaleur spécifique.

Le déphasage ne prend son sens qu'appliquée à une paroi entière, non à un matériau isolé : le déphasage effectif dépend de la nature, de l'épaisseur et de la position relative de chaque couche, et un même matériau produira des résultats très différents selon qu'il est associé à une paroi lourde ou à une ossature légère, et selon sa position dans l'épaisseur — doublage intérieur, isolation répartie ou isolation par l'extérieur.

Raisonner à l'échelle du seul matériau revient donc à isoler une variable d'un système où elle interagit avec d'autres, composition de la paroi, ordre des couches, inertie du bâtiment dans son ensemble, ventilation, orientation, apports internes. L'analyse du comportement thermique estival d'un bâtiment doit ainsi être conduite à l'échelle de la paroi complète, puis du bâtiment, et non à celle d'un matériau extrait de son contexte constructif.