Conductivité thermique
Rappel
La conductivité thermique au niveau des atomes est liée principalement à 2 facteurs :
· le mouvement des porteurs de charges, ions, électrons et trous (dans notre cas les électrons).
· l’oscillation des atomes autour de leur position d’équilibre (organisation du réseau cristallin).
Dans les métaux, le mouvement des électrons libres est prédominant alors que pour des non-métaux, la vibration des ions est plus importante.
La conductivité thermique est donc associée premièrement à la conductivité électrique (mouvement des porteurs de charge) et deuxièmement à la structure propre du matériau (vibrations des atomes). En effet, les vibrations des atomes ne sont pas aléatoires et indépendantes les unes des autres dans un solide, mais correspondent à des modes propres de vibration également nommés « phonons ». Ces vibrations sont semblables à des ondes qui peuvent se propager dans le matériau, si sa structure est périodique. Ce facteur sera donc plus important dans un cristal, périodique, que dans un verre, désordonné (d’où la différence de conductivité thermique entre le diamant et le verre ).
Le graphite
Du fait de la structure du graphite, la conductivité thermique est anisotrope : Il faut considérer 2 propagations. (propriétés physiques différentes suivant les axes). Dans le plan xy parallèle aux feuillets, la conductivité est très forte, alors que selon l'axe z perpendiculaire aux feuillets, elle est beaucoup moins élevée.
Conductivités thermiques ( λ ) d'un graphite à température ambiante selon les 2 plans
Le diamant
Le diamant est isolant électrique et pourtant sa conductivité thermique est très importante (2000 W/m/K à 20°): il conduit la chaleur mieux que le cuivre ou l'argent ! Des casseroles en diamant seraient très performantes, mais on se heurterait probablement à des difficultés pratiques et financières... Sa conduction thermique est très élevée grâce à la propagation des oscillations d'atomes dans son réseau. En effet, le réseau est très rigide et les atomes très proches. De ce fait, les bijoutiers peuvent reconnaître un diamant en posant leurs lèvres à sa surface: ils perçoivent alors une impression de froid, représentative des bons conducteurs thermiques (comme les métaux).