Nick Connor

À propos du bois de chêne

En général, le bois est un tissu structurel poreux et fibreux que l’on trouve dans les tiges et les racines des arbres et d’autres plantes ligneuses. C’est un matériau organique – un composite naturel de fibres de cellulose qui sont résistantes à la tension et noyées dans une matrice de lignine qui résiste à la compression. Il est courant de classer le bois comme résineux ou comme bois dur. Le bois des conifères (par exemple le pin) est appelé résineux et le bois des dicotylédones (généralement des feuillus, par exemple le chêne) est appelé bois dur. Ces noms sont un peu trompeurs, car les bois durs ne sont pas nécessairement durs et les bois tendres ne sont pas nécessairement mous. 

Sommaire

Nom	Bois de chêne
Phase à STP	solide
Densité	704 kg/m3
Résistance à la traction ultime	70 MPa
Limite d’élasticité	N / A
Module de Young	9 GPa
Dureté Brinell	4 BHN
Point de fusion	N / A
Conductivité thermique	0,17 W/mK
Capacité thermique	2000 J/g·K
Prix	0,7 $/kg

Densité du bois de chêne

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité  est définie comme la masse par unité de volume. C’est une propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité du bois de chêne est de 704 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en bois de chêne, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la  masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 1,124 m.

Propriétés mécaniques du bois de chêne

Force du bois de chêne

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine.

La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique. Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. En cas de contrainte de traction d’une barre uniforme (courbe contrainte-déformation), la  loi de Hooke décrit le comportement d’une barre dans la région élastique. Le module de Youngest le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction.

Voir aussi: Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime du bois de chêne

La résistance à la traction ultime du bois de chêne est de 70 MPa.

Limite d’élasticité du bois de chêne

La limite d’élasticité du bois de chêne est N/A.

Module de Young du bois de chêne

Le module de Young du bois de chêne est de 9 GPa.

Dureté du bois de chêne

En science des matériaux, la dureté  est la capacité à résister à  l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et  aux rayures. Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

L’  indice de dureté Brinell (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation:

La dureté Brinell du bois de chêne est d’environ 4 BHN (converti).

Voir aussi: Dureté des matériaux

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique faite de bois de chêne. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit: UTS = 70 MPa.

Solution:

La contrainte (σ)  peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est:

F = UTS x A = 70 x 10⁶ x 0,0001 = 7 000 N

Propriétés thermiques du bois de chêne

Bois de Chêne – Point de Fusion

Le point de fusion du bois de chêne est N/A .

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la  fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Bois de Chêne – Conductivité Thermique

La conductivité thermique du bois de chêne est de 0,17 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en  W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier  s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Bois de Chêne – Chaleur Spécifique

La chaleur spécifique du bois de chêne est de 2000  J/g K .

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, est une propriété liée à l’énergie interne  très importante en thermodynamique. Les  propriétés intensives c_v et c_p sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u(T, v)  et de  l’ enthalpie  h(T, p), respectivement: 

où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés c_v et c_p sont appelées chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont J/kg K ou J/mol K.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une zone carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de  flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est en bois de chêne avec une conductivité thermique de k₁ = 0,17 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à  la loi de refroidissement de Newton:

Le coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global  est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/0,17 + 1/30) = 0,985 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 0,985 [W/m²K] x 30 [K] = 29,54 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte  = q . A = 29,54 [W/m²] x 30 [m²] = 886,1 W

À propos du charbon bitumineux

Le charbon est une roche issue de la décomposition de la vie végétale. Il est principalement composé de carbone, avec de nombreux autres oligo-éléments. Le charbon bitumineux ou charbon noir est un charbon relativement mou contenant une substance semblable à du goudron appelée bitume ou asphalte. Il est de meilleure qualité que le lignite et le charbon sous-bitumineux, mais de moins bonne qualité que l’anthracite. 

Sommaire

Nom	Charbon bitumineux
Phase à STP	solide
Densité	1400kg/m3
Résistance à la traction ultime	20 MPa
Limite d’élasticité	N / A
Module de Young	N / A
Dureté Brinell	2 mois
Point de fusion	1127 °C
Conductivité thermique	0,2 W/mK
Capacité thermique	1380 J/g·K
Prix	0,03 $/kg

Densité du charbon bitumineux

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une  propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité du charbon bitumineux est de 1400 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube de charbon bitumineux, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la  masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 0,894 m.

Propriétés mécaniques du charbon bitumineux

Force du charbon bitumineux

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine.

La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique. Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. En cas de contrainte de traction d’une barre uniforme (courbe contrainte-déformation), la loi de Hooke décrit le comportement d’une barre dans la région élastique. Le module de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction.

Voir aussi: Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime du charbon bitumineux

La résistance à la traction ultime du charbon bitumineux est de 20 MPa.

Limite d’élasticité du charbon bitumineux

La limite d’élasticité du charbon bitumineux  est N/A.

Module de Young du charbon bitumineux

Le module de Young du charbon bitumineux est N/A.

Dureté du charbon bitumineux

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à  l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et  aux rayures . Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un  pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

L’ indice de dureté Brinell (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation:

La dureté du charbon bitumineux est d’environ 2 Mohs.

Voir aussi: Dureté des matériaux

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique faite de charbon bitumineux. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit : UTS = 20 MPa.

Solution:

La contrainte (σ) peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est:

F = UTS x A = 20 x 10⁶ x 0,0001 = 2 000 N

Propriétés thermiques du charbon bitumineux

Charbon bitumineux – Point de fusion

Le point de fusion du charbon bitumineux est de 1127 °C.

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion  définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Charbon bitumineux – Conductivité thermique

La conductivité thermique du charbon bitumineux est de 0,2 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la  conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Charbon bitumineux – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique du charbon bitumineux est de 1380  J/g K.

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, est une propriété liée à l’énergie interne très importante en thermodynamique. Les propriétés intensives c_v et c_p sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u(T, v) et de l’ enthalpie  h(T, p), respectivement: 

où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés c_v et c_p sont appelées chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont J/kg K ou J/mol K.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une zone carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de  flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est constitué de Charbon Bitumineux avec une conductivité thermique  de k₁ = 0,2 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de refroidissement de Newton:

Le  coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/0,2 + 1/30) = 1,13 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 1,13 [W/m²K] x 30 [K] = 33,96 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A =33,96 [W/m²] x 30 [m²] = 1018,87 W

À propos du bois de pin

En général, le bois est un tissu structurel poreux et fibreux que l’on trouve dans les tiges et les racines des arbres et d’autres plantes ligneuses. C’est un matériau organique – un composite naturel de fibres de cellulose qui sont résistantes à la tension et noyées dans une matrice de lignine qui résiste à la compression. Il est courant de classer le bois comme résineux ou comme bois dur. Le bois des conifères (par exemple le pin) est appelé résineux et le bois des dicotylédones (généralement des feuillus, par exemple le chêne) est appelé bois dur. Ces noms sont un peu trompeurs, car les bois durs ne sont pas nécessairement durs et les bois tendres ne sont pas nécessairement mous. 

Sommaire

Nom	Bois de pin
Phase à STP	solide
Densité	500kg/m3
Résistance à la traction ultime	35 MPa
Limite d’élasticité	N / A
Module de Young	10 GPa
Dureté Brinell	2 BHN
Point de fusion	N / A
Conductivité thermique	0,12 W/mK
Capacité thermique	2300 J/g·K
Prix	0,5 $/kg

Densité du bois de pin

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité du bois de pin est de 500 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en bois de pin, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 1,26 m.

Propriétés mécaniques du bois de pin

Force du bois de pin

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine.

La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique. Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. En cas de contrainte de traction d’une barre uniforme (courbe contrainte-déformation), la loi de Hooke décrit le comportement d’une barre dans la région élastique. Le module de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction.

Voir aussi: Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime du bois de pin

La résistance à la traction ultime du bois de pin est de 35 MPa.

Limite d’élasticité du bois de pin

La limite d’élasticité du bois de pin  est N/A.

Module de Young du bois de pin

Le module de Young du bois de pin est de 10 GPa.

Dureté du bois de pin

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à  l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et  aux rayures. Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

L’ indice de dureté Brinell (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation:

La dureté Brinell du bois de pin est d’environ 2 BHN (converti).

Voir aussi: Dureté des matériaux

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique faite de bois de pin. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit: UTS = 35 MPa.

Solution:

La contrainte (σ) peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est:

F = UTS x A = 35 x 10⁶ x 0,0001 = 3 500 N

Propriétés thermiques du bois de pin

Bois de pin – Point de fusion

Le point de fusion du bois de pin est N/A .

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Bois de pin – Conductivité thermique

La conductivité thermique du bois de pin est de 0,12 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par  conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gaz), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Bois de pin – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique du bois de pin est de 2300  J/g K.

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, est une propriété liée à l’énergie interne très importante en thermodynamique. Les propriétés intensives c_v et c_p sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u(T, v) et de  l’enthalpie  h(T, p), respectivement: 

où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés c_v et c_p sont appelées chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont J/kg K ou J/mol K.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de  flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est en bois de pin avec une conductivité thermique  de k₁ = 0,12 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de refroidissement de Newton:

Le coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/0,12 + 1/30) = 0,72 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 0,72 [W/m²K] x 30 [K] = 21,69 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 21,69 [W/m²] x 30 [m²] = 650,6 W

À propos de l’essence

L’essence ou l’essence est un liquide inflammable clair dérivé du pétrole qui est principalement utilisé comme carburant dans la plupart des moteurs à combustion interne à allumage par étincelle. Actuellement, la principale source de carburant pour les véhicules routiers est l’huile de pétrole. Le pétrole est un liquide fossile naturel composé d’un mélange complexe d’hydrocarbures de divers poids moléculaires et de divers autres composés organiques. Ces composants sont séparés par distillation fractionnée dans une raffinerie de pétrole afin de produire de l’essence, du carburant diesel, du kérosène et d’autres produits. 

Sommaire

Nom	De l’essence
Phase à STP	liquide
Densité	755kg/m3
Résistance à la traction ultime	N / A
Limite d’élasticité	N / A
Module de Young	N / A
Dureté Brinell	N / A
Point de fusion	N / A
Conductivité thermique	0,16 W/mK
Capacité thermique	2200 J/g·K
Prix	1,5 $/kg

Densité de l’essence

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une  propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité de l’essence est de 755 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube fait d’essence, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 1,098 m.

Propriétés thermiques de l’essence

Essence – Point de fusion

Le point de fusion de l’essence est N/A .

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion  définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Essence – Conductivité thermique

La conductivité thermique de l’essence est de 0,16 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gaz), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Essence – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique de l’essence est de 2200  J/g K.

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, est une propriété liée à l’énergie interne très importante en thermodynamique. Les propriétés intensives c_v et c_p sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u(T, v) et de l’enthalpie  h(T, p) , respectivement: 

où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés c_v et c_p sont appelées chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont J/kg K ou J/mol K.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L₁) et il est fait d’essence avec une conductivité thermique  de k₁ = 0,16 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂  = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé  facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de refroidissement de Newton:

Le coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/0,16 + 1/30) = 0,93 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 0,93 [W/m²K] x 30 [K] = 28,02 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 28,02 [W/m²] x 30 [m²] = 840,47 W

À propos du graphite

Le graphite est une forme cristalline de l’élément carbone avec ses atomes disposés dans une structure hexagonale. Sa combinaison inhabituelle de propriétés est due à la structure cristalline du graphite. Les atomes de carbone sont disposés de manière hexagonale dans un système cyclique planaire condensé. Les couches sont empilées parallèlement les unes aux autres. Les atomes à l’intérieur des anneaux sont liés de manière covalente, tandis que les couches sont liées de manière lâche par les forces de van der Waals. Il se produit naturellement sous cette forme et est la forme de carbone la plus stable dans des conditions standard. Bien que le graphite soit flexible, il n’est pas élastique et possède une conductivité électrique et thermique élevée. Il est également chimiquement inerte et hautement réfractaire. Étant donné que le graphite présente une faible adsorption des rayons X et des neutrons, il est très précieux dans les applications nucléaires. 

Sommaire

Nom	Graphite
Phase à STP	solide
Densité	2260kg/m3
Résistance à la traction ultime	14 MPa
Limite d’élasticité	N / A
Module de Young	11,5 GPa
Dureté Brinell	5 BHN
Point de fusion	3600°C
Conductivité thermique	200W/mK
Capacité thermique	720 J/g·K
Prix	3 $/kg

Densité du graphite

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube  (lbm/ft³).

La densité du graphite est de 2260 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en graphite, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée :

La hauteur de ce cube est alors a = 0,762 m.

Propriétés mécaniques du graphite

Force du graphite

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine.

La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique. Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. En cas de contrainte de traction d’une barre uniforme (courbe contrainte-déformation), la  loi de Hooke décrit le comportement d’une barre dans la région élastique. Le module de Youngest le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction.

Voir aussi: Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime du graphite

La résistance à la traction ultime du graphite est de 14 MPa.

Limite d’élasticité du graphite

La limite d’élasticité du graphite  est N/A.

Module de Young du graphite

Le module de Young du graphite est de 11,5 MPa.

Dureté du graphite

En science des matériaux, la dureté  est la capacité à résister à  l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et  aux rayures. Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un  pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

L’  indice de dureté Brinell (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation:

La dureté Brinell du graphite est d’environ 5 BHN (converti).

Voir aussi: Dureté des matériaux

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique, qui est faite de graphite. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit: UTS = 14 MPa.

Solution:

La contrainte (σ)  peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est:

F = UTS x A = 14 x 10⁶ x 0,0001 = 1 400 N

Propriétés thermiques du graphite

Graphite – Point de fusion

Le point de fusion du graphite est de 3600°C .

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Graphite – Conductivité thermique

La conductivité thermique du graphite  est  de 200 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par  conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gaz), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Graphite – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique du graphite est de 720 J/g K.

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, est une propriété liée à l’énergie interne très importante en thermodynamique. Les propriétés intensives c_v et c_p sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u(T, v) et de l’ enthalpie h(T, p), respectivement: 

où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés c_v et c_p sont appelées chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont J/kg K ou J/mol K.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de  flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L₁) et il est fait de Graphite avec une conductivité thermique  de k₁ = 200 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à  la loi de refroidissement de Newton:

Le  coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/200 + 1/30) = 7,46 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 7,46 [W/m²K] x 30 [K] = 223,74 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 223,74 [W/m²] x 30 [m²] = 6712,24 W

À propos du carbure de tungstène

Le carbure de tungstène est un carbure très dense contenant des parties égales d’atomes de tungstène et de carbone. Dans sa forme la plus basique, le carbure de tungstène est une fine poudre grise, mais il peut être pressé et façonné par un processus appelé frittage pour une utilisation dans les machines industrielles, les outils de coupe, les abrasifs, les obus perforants et les bijoux. Le carbure de tungstène est environ deux fois plus rigide (haut module d’élasticité) que l’acier. Le carbure de tungstène a une très grande résistance aux chocs et une très grande résistance pour un matériau aussi dur et rigide. La résistance à la compression est supérieure à pratiquement tous les métaux et alliages fondus et coulés ou forgés. Avec une augmentation de la température à 1400 ° F, le carbure de tungstène conserve une grande partie de sa dureté à température ambiante. 

Densité du carbure de tungstène

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une  propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité du carbure de tungstène est de 14 500 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en carbure de tungstène, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la  masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 0,41 m.

Propriétés mécaniques du carbure de tungstène

Force du carbure de tungstène

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine.

La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique. Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. En cas de contrainte de traction d’une barre uniforme (courbe contrainte-déformation), la  loi de Hooke décrit le comportement d’une barre dans la région élastique. Le module de Youngest le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction.

Voir aussi: Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime du carbure de tungstène

La résistance à la traction ultime du carbure de tungstène est de 370 MPa.

Limite d’élasticité du carbure de tungstène

La limite d’élasticité du carbure de tungstène  est de 330 MPa.

Module de Young du carbure de tungstène

Le module de Young du carbure de tungstène est de 600 MPa.

Dureté du carbure de tungstène

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et  aux rayures. Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

L’ indice de dureté Brinell (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation:

La dureté Brinell du carbure de tungstène est d’environ 25 000 BHN (converti).

Voir aussi: Dureté des matériaux

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique, qui est faite de carbure de tungstène. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit: UTS = 370 MPa.

Solution:

La contrainte (σ) peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est :

F = UTS x A = 370 x 10⁶ x 0,0001 = 37 000 N

Propriétés thermiques du carbure de tungstène

Carbure de tungstène – Point de fusion

Le point de fusion du carbure de tungstène est de 2867°C .

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Carbure de tungstène – Conductivité thermique

La conductivité thermique du carbure de tungstène est  de 110 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que  la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire  k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Carbure de tungstène – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique du carbure de tungstène est de 292 J/g K .

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique,  est une propriété liée à l’énergie interne très importante en thermodynamique. Les  propriétés intensives c_v et c_p sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u(T, v) et de l’ enthalpie  h(T, p), respectivement: 

où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés c_v et c_p sont appelées chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont J/kg K ou  J/mol K.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de  flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). La paroi a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est en carbure de tungstène avec une conductivité thermique  de k₁ =110 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à  la loi de refroidissement de Newton:

Le  coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global  peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/110 + 1/30) = 7,42 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 7,42 [W/m²K] x 30 [K] = 222,72 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 222,72 [W/m²] x 30 [m²] = 6681,67 W

À propos du graphène

Le graphène est un allotrope de carbone constitué d’une seule couche d’atomes disposés de manière hexagonale dans un réseau bidimensionnel. Le graphène est une substance aux propriétés très intéressantes. Le graphène a une conductivité thermique élevée, une conductivité électrique élevée, une élasticité et une flexibilité élevées, une dureté et une résistance élevées. Ces propriétés, associées à l’abondance de carbone dans la nature, ont fait du graphène un matériau très étudié avec de grandes possibilités. 

Résumé

Nom	graphène
Phase à STP	solide
Densité	2270kg/m3
Résistance à la traction ultime	130000 MPa
Limite d’élasticité	N / A
Module de Young	1000 GPa
Dureté Brinell	N / A
Point de fusion	3697°C
Conductivité thermique	4000W/mK
Capacité thermique	N / A
Prix	100 $/kg

Densité de graphène

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une  propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité du graphène est de 2270 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en graphène, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 0,761 m.

Propriétés mécaniques du graphène

Force du graphène

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine.

La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique. Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. En cas de contrainte de traction d’une barre uniforme (courbe contrainte-déformation), la  loi de Hooke décrit le comportement d’une barre dans la région élastique. Le module de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction.

Voir aussi: Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime du graphène

La résistance à la traction ultime du graphène est de 130 000 MPa.

Limite d’élasticité du graphène

La limite d’élasticité du graphène  est N/A.

Module de Young du graphène

Le module de Young du graphène est de 1000 GPa.

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique, qui est faite de graphène. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit: UTS = 130 000 MPa.

Solution:

La contrainte (σ) peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est:

F = UTS x A = 130000 x 10⁶ x 0,0001 = 13 000 000 N

Propriétés thermiques du graphène

Graphène – Point de fusion

Le point de fusion du graphène est de 3697 °C.

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Graphène – Conductivité thermique

La conductivité thermique du graphène est de 4000 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en  W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Graphène – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique du graphène est de 509 J/g K.

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, est une propriété liée à l’énergie interne très importante en thermodynamique. Les  propriétés intensives c_v et c_p sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u(T, v)  et de l’enthalpie  h(T, p), respectivement: 

où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés c_v et c_p sont appelées  chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont J/kg K ou J/mol K.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de  flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L₁) et il est fait de graphène avec une conductivité thermique  de k₁ = 4000 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m² K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à  la loi de refroidissement de Newton:

Le  coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/4000 + 1/30) = 7,5 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 7,5 [W/m²K] x 30 [K] = 224,94 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 224,94 [W/m²] x 30 [m²] = 6748,1 W

À propos du dioxyde d’uranium

Le dioxyde d’uranium est un composé d’uranium réfractaire céramique, dans de nombreux cas utilisé comme combustible nucléaire. La plupart des LWR utilisent le combustible à l’uranium, qui se présente sous la forme de dioxyde d’uranium (chimiquement UO2). Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique. D’autre part, le dioxyde d’uranium a un point de fusion très élevé et un comportement bien connu. Le dioxyde d’uranium a une densité nettement inférieure à celle de l’uranium sous forme métallique. Le dioxyde d’uranium a une densité de 10,97 g/cm3, mais cette valeur peut varier en fonction de la combustion du combustible, car à faible combustion, une densification des pastilles peut se produire et à une combustion plus élevée, un gonflement se produit. 

Résumé

Nom	Dioxyde d’uranium
Phase à STP	solide
Densité	10970kg/m3
Résistance à la traction ultime	N / A
Limite d’élasticité	N / A
Module de Young	N / A
Dureté Brinell	N / A
Point de fusion	2847°C
Conductivité thermique	8,68 W/mK
Capacité thermique	235 J/g·K
Prix	60 $/kg

Densité de dioxyde d’uranium

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une  propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité du dioxyde d’uranium est de 10970 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube fait de dioxyde d’uranium, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la  masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 0,45 m.

Propriétés thermiques du dioxyde d’uranium

Dioxyde d’uranium – Point de fusion

Le point de fusion du dioxyde d’uranium est de 2847°C.

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Dioxyde d’uranium – Conductivité thermique

La conductivité thermique du dioxyde d’uranium est de 8,68 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en  W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Dioxyde d’uranium – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique du dioxyde d’uranium est de 235 J/g K.

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, est une propriété liée à l’énergie interne  très importante en thermodynamique. Les propriétés intensives c_v et c_p sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u(T, v) et de  l’enthalpie h(T, p), respectivement: 

où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés c_v et c_p sont appelées chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont J/kg K ou J/mol K.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de  flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). La paroi a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est constituée de Dioxyde d’Uranium avec une conductivité thermique  de k₁ = 8,68 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à  la loi de refroidissement de Newton:

Le coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global  est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/8,68 + 1/30) = 6,64 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 6,64 [W/m²K] x 30 [K] = 199,18 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 199,18 [W/m²] x 30 [m²] = 5975,52 W

Elektron 21 – UNS M12310

En général, Elektron est la marque déposée d’une large gamme d’alliages de magnésium fabriqués par une société britannique Magnesium Elektron Limited. Elektron 21, désigné par UNS M12310, est l’un des alliages avec une excellente résistance à la corrosion et une excellente coulabilité. Les produits coulés possèdent une microstructure à grains fins et une étanchéité à la pression. Cet alliage peut être facilement usiné. Les applications incluent le sport automobile et l’aérospatiale, car il possède une résistance élevée, un poids léger et d’excellentes caractéristiques d’amortissement des vibrations.

Résumé

Nom	Électron 21
Phase à STP	solide
Densité	1800kg/m3
Résistance à la traction ultime	280 MPa
Limite d’élasticité	145 MPa
Module de Young	45 GPa
Dureté Brinell	70 BHN
Point de fusion	550-640°C
Conductivité thermique	116 W/mK
Capacité thermique	900 J/g·K
Prix	40 $/kg

Densité d’Elektron 21

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité  est définie comme la masse par unité de volume. C’est une  propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité d’Elektron 21 est de 1800 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en Elektron 21, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 0,822 m.

Propriétés mécaniques d’Elektron 21 – UNS M12310

Force d’Elektron 21

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine.

La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique. Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. En cas de contrainte de traction d’une barre uniforme (courbe contrainte-déformation), la  loi de Hooke décrit le comportement d’une barre dans la région élastique. Le module de Youngest le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction.

Voir aussi : Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime d’Elektron 21

La résistance à la traction ultime d’Elektron 21 est de 280 MPa.

Limite d’élasticité d’Elektron 21

La limite d’élasticité d’Elektron 21  est de 145 MPa.

Module de Young d’Elektron 21

Le module de Young d’Elektron 21 est de 45 GPa.

Dureté d’Elektron 21

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à  l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et  aux rayures. Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

L’ indice de dureté Brinell (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation:

La dureté Brinell d’Elektron 21 est d’environ 70 BHN (converti).

Voir aussi: Dureté des matériaux

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique faite d’Elektron 21. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit: UTS = 280 MPa.

Solution:

La contrainte (σ) peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est:

F = UTS x A =280 x 10⁶ x 0,0001 = 28 000 N

Propriétés thermiques d’Elektron 21 – UNS M12310

Elektron 21 – Point de fusion

Le point de fusion d’Elektron 21 est de 550 à 640°C.

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Elektron 21 – Conductivité thermique

La conductivité thermique d’Elektron 21 est de 116 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/m.K. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire  k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Elektron 21 – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique d’Elektron 21 est de 900  J/g K.

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, est une propriété liée à l’énergie interne très importante en thermodynamique. Les propriétés intensives c_v et c_p sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u(T, v) et de  l’ enthalpie h(T, p), respectivement: 

où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés c_v et c_p sont appelées chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont J/kg K ou J/mol K.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est constitué d’Elektron 21 avec une conductivité thermique  de k₁ = 116 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un  coefficient de transfert de chaleur global, appelé  facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de refroidissement de Newton:

Le  coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global  est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/116 + 1/30) = 7,43 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 7,43 [W/m²K] x 30 [K] = 222,84 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 222,84 [W/m²] x 30 [m²] = 6685,17 W

À propos de Duralumin

Les alliages d’aluminium de la série 2000 sont alliés au cuivre, ils peuvent être durcis par précipitation à des résistances comparables à celles de l’acier. Anciennement appelés duralumin, ils étaient autrefois les alliages aérospatiaux les plus courants, mais ils étaient sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte et sont de plus en plus remplacés par la série 7000 dans de nouvelles conceptions. Outre l’aluminium, les principaux matériaux du duralumin sont le cuivre, le manganèse et le magnésium.

Le duralumin (également appelé duraluminum, duraluminium, duralum, dural(l)ium ou dural) est un alliage d’aluminium solide et léger découvert en 1910 par Alfred Wilm, un métallurgiste allemand. Il a découvert qu’après trempe, un alliage d’aluminium contenant 4% de cuivre durcissait lentement lorsqu’il était laissé à température ambiante pendant plusieurs jours. Ce processus est maintenant connu sous le nom de vieillissement naturel. Il a également conçu un alliage (Duralumin) adapté au renforcement par ce procédé dans ce qui est maintenant connu sous le nom de durcissement par précipitation. Bien qu’une explication du phénomène n’ait été fournie qu’en 1919, le duralumin a été l’un des premiers alliages à «durcissement par vieillissement» utilisés.

Résumé

Nom	Duralumin
Phase à STP	solide
Densité	2780kg/m3
Résistance à la traction ultime	450 MPa
Limite d’élasticité	300 MPa
Module de Young	76 GPa
Dureté Brinell	120 BHN
Point de fusion	570 °C
Conductivité thermique	140W/mK
Capacité thermique	900 J/g·K
Prix	6 $/kg

En termes de durcissement par vieillissement, les alliages aluminium-cuivre recuits en solution peuvent être vieillis naturellement à température ambiante pendant quatre jours ou plus pour obtenir des propriétés maximales telles que la dureté et la résistance. Ce processus est connu sous le nom de vieillissement naturel. À température ambiante, la solubilité du cuivre dans l’aluminium chute à une petite fraction de 1 %. À ce stade, le soluté de cuivre est bloqué à l’intérieur du réseau d’aluminium (matrice), mais doit « précipiter » hors du réseau d’aluminium sursaturé. Le processus de vieillissement peut également être accéléré à quelques heures après le traitement en solution et la trempe en chauffant l’alliage sursaturé à une température spécifique et en le maintenant à cette température pendant un temps spécifié. Ce processus est appelé vieillissement artificiel.

Le duralumin est relativement mou, ductile et facile à travailler à température normale. L’alliage peut être laminé, forgé et extrudé sous diverses formes et produits. Le poids léger et la haute résistance du duralumin par rapport à l’acier ont permis son application dans la construction aéronautique. Bien que l’ajout de cuivre améliore la résistance, il rend également ces alliages sensibles à la corrosion. La conductivité électrique et thermique du duralumin est inférieure à celle de l’aluminium pur et supérieure à celle de l’acier.

Densité de Duralumin

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité  est définie comme la masse par unité de volume. C’est une  propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité du Duralumin est de 2780 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en Duralumin, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 0,711 m.

Propriétés mécaniques du duralumin

Force du duralumin

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique.

Résistance à la traction ultime – Duralumin

La résistance à la traction ultime de l’alliage d’aluminium 2024 dépend fortement de l’état du matériau, mais elle est d’environ 450 MPa.

La résistance à la traction ultime est le maximum sur la courbe technique de contrainte-déformation. Cela correspond à la contrainte maximalequi peut être soutenu par une structure en tension. La résistance à la traction ultime est souvent abrégée en « résistance à la traction » ou même en « l’ultime ». Si cette contrainte est appliquée et maintenue, une fracture en résultera. Souvent, cette valeur est nettement supérieure à la limite d’élasticité (jusqu’à 50 à 60 % de plus que le rendement pour certains types de métaux). Lorsqu’un matériau ductile atteint sa résistance ultime, il subit une striction où la section transversale se réduit localement. La courbe contrainte-déformation ne contient pas de contrainte supérieure à la résistance ultime. Même si les déformations peuvent continuer à augmenter, la contrainte diminue généralement après que la résistance ultime a été atteinte. C’est une propriété intensive; sa valeur ne dépend donc pas de la taille de l’éprouvette. Cependant, cela dépend d’autres facteurs, tels que la préparation de l’échantillon, température de l’environnement et du matériau d’essai. Les résistances ultimes à la traction varient de 50 MPa pour un aluminium jusqu’à 3000 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique, qui est faite de Duralumin. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit: UTS = 450 MPa.

Solution:

La contrainte (σ) peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est :

F = UTS x A = 450 x 10⁶ x 0,0001 = 45 000 N

Limite d’élasticité

La limite d’élasticité de l’alliage d’aluminium 2024 dépend fortement de l’état du matériau, mais elle est d’environ 300 MPa.

La limite d’ élasticité est le point sur une courbe contrainte-déformation qui indique la limite du comportement élastique et le début du comportement plastique. Limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. Avant la limite d’élasticité, le matériau se déforme élastiquement et reprend sa forme d’origine lorsque la contrainte appliquée est supprimée. Une fois la limite d’élasticité dépassée, une partie de la déformation sera permanente et irréversible. Certains aciers et autres matériaux présentent un comportement appelé phénomène de limite d’élasticité. Les limites d’élasticité varient de 35 MPa pour un aluminium à faible résistance à plus de 1400 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Module de Young

Le module de Young de l’alliage d’aluminium 2024 est d’environ 76 GPa.

Le module de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction. Jusqu’à une contrainte limite, une caisse pourra retrouver ses dimensions au retrait de la charge. Les contraintes appliquées font que les atomes d’un cristal se déplacent de leur position d’équilibre. Tous les atomes sont déplacés de la même quantité et conservent toujours leur géométrie relative. Lorsque les contraintes sont supprimées, tous les atomes reviennent à leur position d’origine et aucune déformation permanente ne se produit. Selon la loi de Hooke, la contrainte est proportionnelle à la déformation (dans la région élastique), et la pente est le module de Young. Le module de Young est égal à la contrainte longitudinale divisée par la déformation.

Dureté des alliages d’aluminium – Duralumin

La dureté Brinell de l’alliage d’aluminium 2024 dépend fortement de l’état du matériau, mais elle est d’environ 110 MPa.

Le test de dureté Rockwell est l’un des tests de dureté par indentation les plus courants, qui a été développé pour les tests de dureté. Contrairement au test Brinell, le testeur Rockwell mesure la profondeur de pénétration d’un pénétrateur sous une charge importante (charge majeure) par rapport à la pénétration faite par une précharge (charge mineure). La charge mineure établit la position zéro. La charge majeure est appliquée, puis retirée tout en maintenant la charge mineure. La différence entre la profondeur de pénétration avant et après l’application de la charge principale est utilisée pour calculer le nombre de dureté Rockwell. C’est-à-dire que la profondeur de pénétration et la dureté sont inversement proportionnelles. Le principal avantage de la dureté Rockwell est sa capacité à afficher directement les valeurs de dureté. Le résultat est un nombre sans dimension noté HRA, HRB, HRC, etc., où la dernière lettre est l’échelle Rockwell respective.

Le test Rockwell C est réalisé avec un pénétrateur Brale (cône diamant 120°) et une charge majeure de 150kg.

Propriétés thermiques des alliages d’aluminium – Duralumin

Les propriétés thermiques  des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/ »>température

 et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion des alliages d’aluminium

Le point de fusion de l’alliage d’aluminium 2024 est d’environ 570°C.

En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre.

Conductivité thermique des alliages d’aluminium

La conductivité thermique de l’alliage d’aluminium 2024 est de 140 W/(mK).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en  W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T) . Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de flux de chaleur à travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est en Duralumin avec une conductivité thermique  de k₁ = 140 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de refroidissement de Newton:

Le  coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global  est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/140 + 1/30) = 7,44 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 7,44 [W/m²K] x 30 [K] = 223,21 W/m ²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte  = q . A = 223,21 [W/m²] x 30 [m²] = 6696,19 W

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