Lorsqu'un matériau se trouve à l'équilibre thermique, sa température est fixe et les échanges de chaleur (échange par conduction, convection, rayonnement) qu'il a avec son environnement sont équilibrés (autant de chaleur reçue de son environnement que de chaleur cédée à cet environnement). L'inertie thermiquede ce matériau représente la résistance au changement de sa température lorsque intervient une perturbation de cet équilibre thermique.
Si la perturbation l'amène vers une nouvelle température d'équilibre, l'inertie thermique est mise en évidence par la "lenteur" avec laquelle ce nouveau point d'équilibre est atteint.
La notion d'inertie thermique est utilisée en particulier dans le bâtiment, dans le cadre de la conception des parois opaques extérieures dont les températures intérieures et surtout extérieures varient fréquemment, qui subissent les impacts thermiques du rayonnement solaire et dont les matériaux constitutifs participent à la stabilité de la température intérieure.
Maîtriser l'inertie thermique des éléments ou matériaux permet aussi d'optimiser des processus de fabrication dans l'industrie ou d'éléments de la vie quotidienne.
À la différence de la diffusivité thermique qui décrit la rapidité d’un déplacement des calories à travers la masse d’un matériau, l’effusivité décrit la rapidité avec laquelle un matériau absorbe les calories. Plus l’effusivité est élevée, plus le matériau absorbe d’énergie sans se réchauffer notablement.
Au contraire, plus elle est faible, plus vite le matériau se réchauffe. Par exemple le béton a une effusivité élevée et donne une sensation de froid au toucher alors que le bois a une effusivité faible et ne donne pas une sensation de froid au toucher
Grâce à l'inertie thermique du bâti, la température à l'intérieur du bâtiment suit nécessairement ces variations, mais avec :
On peut distinguer deux cas de figure où intervient l'inertie thermique :
Si la perturbation l'amène vers une nouvelle température d'équilibre, l'inertie thermique est mise en évidence par la "lenteur" avec laquelle ce nouveau point d'équilibre est atteint.
- Si le matériau a une très "bonne" (valeur faible) diffusivité thermique, il atteindra cet équilibre au bout d'un temps long.
- Si le matériau a une très "mauvaise" (valeur élevée) diffusivité thermique, il atteindra cet équilibre au bout d'un temps bref.
La notion d'inertie thermique est utilisée en particulier dans le bâtiment, dans le cadre de la conception des parois opaques extérieures dont les températures intérieures et surtout extérieures varient fréquemment, qui subissent les impacts thermiques du rayonnement solaire et dont les matériaux constitutifs participent à la stabilité de la température intérieure.
Maîtriser l'inertie thermique des éléments ou matériaux permet aussi d'optimiser des processus de fabrication dans l'industrie ou d'éléments de la vie quotidienne.
Grandeurs pour quantifier l'inertie thermique d'un matériau
On quantifie l'inertie thermique essentiellement par :- la diffusivité thermique
(ou
)du matériau, qui représente sa tendance à favoriser la diffusion de la chaleur (une "bonne" diffusivité thermique en bâtiment correspond à une valeur faible et une "mauvaise" diffusivité thermique en bâtiment correspond à une valeur élevée).
- l'épaisseur
du matériau considéré ; le temps caractéristique (auquel est lié le déphasage thermique) dépend alors de ces deux premiers paramètres, puisqu'il est de l'ordre de
- l'effusivité thermique du matériau considéré, c'est-à-dire sa capacité à échanger de l'énergie thermique avec son environnement.
À la différence de la diffusivité thermique qui décrit la rapidité d’un déplacement des calories à travers la masse d’un matériau, l’effusivité décrit la rapidité avec laquelle un matériau absorbe les calories. Plus l’effusivité est élevée, plus le matériau absorbe d’énergie sans se réchauffer notablement.
Au contraire, plus elle est faible, plus vite le matériau se réchauffe. Par exemple le béton a une effusivité élevée et donne une sensation de froid au toucher alors que le bois a une effusivité faible et ne donne pas une sensation de froid au toucher
Effets dans le cas d'un bâtiment
Schématiquement, sur des temps d'observation donnés (journaliers, saisonniers...), les variations de température extérieure mais surtout les impacts thermiques du rayonnement solaire sur les parois sont périodiques.Grâce à l'inertie thermique du bâti, la température à l'intérieur du bâtiment suit nécessairement ces variations, mais avec :
- un amortissement, qui permet d'atténuer les effets des canicules ou des grands froids
- un déphasage thermique, lié au temps caractéristiquementionné plus haut, qui permet de retarder les effets (exemple : en été, le front de la chaleur du rayonnement solaire pénètre dans la maison en fin de journée plutôt qu'en matinée)
On peut distinguer deux cas de figure où intervient l'inertie thermique :
- L'inertie en transmission, qui concerne l'atténuation de l'influence des conditions extérieures notamment les impacts du rayonnement solaire sur la température intérieure du bâtiment. Cette inertie repose essentiellement sur une isolation thermique avec une très bonne diffusivité thermique du côté extérieur de l'enveloppe du bâtiment.
- La résistance thermique de l'isolant mais surtout sa diffusivité joue un rôle important dans ce cas.
- L'inertie par absorption, qui concerne l'accumulation de chaleur ou de fraîcheur dans les cloisonnement et les parois de la structure en contact avec l'intérieur du bâtiment. L'épaisseur des parois lourdes n'a pas trop d'importance au-delà d'une quinzaine de centimètres par face (accumulation de chaleur près de la surface).