Présentation de la Calorimétrie
Cette technique mesure les températures et chaleurs de transformation des matériaux (principalement les liquides et solides) ainsi que leur capacité thermique.
Calorimétrie – Introduction à la Calorimétrie
La calorimétrie est une méthode dont le principe est de mesurer, en fonction de la température, la chaleur produite ou absorbée lors de la transformation d’un échantillon de matériau. Pendant cette mesure, la température de l’échantillon est régulée précisément.
Le dispositif qui permet cette mesure est tout simplement appelé calorimètre. Selon le principe de leur régulation de température et de leur capteur, les calorimètres peuvent être qualifiés d’isotherme, d’adiabatique, d’isopéribolique ou par d’autres termes exotiques.
Quelle que soit son appellation, un calorimètre est principalement composé :
- D’un capteur permettant de recevoir une ou deux cellules contenant pour la première, l’échantillon à mesurer, et éventuellement pour la seconde, le matériau de référence. Ce capteur intègre un dispositif, la plupart du temps composé de thermocouples, qui mesure en continu
o Soit un flux de chaleur : le flux de chaleur entre l’échantillon et son environnement. Lorsque deux cellules sont employées, c’est la différence de flux de chaleur entre l’échantillon et la référence qui est mesurée. Le calorimètre est alors dit différentiel.
o Soit une température : la température de l’échantillon, la température du four ou la différence des deux.
- De cellules porte-échantillons dont la matière et la conception sont choisis selon les mesures à réaliser.
o La matière employée est la plupart du temps un métal inerte vis-à-vis de l’échantillon. Des céramiques peuvent être employées pour des applications à très haute température.
o Les cellules sont la plupart du temps fermées par un bouchon, voire complètement étanches et résistantes à des pressions de plusieurs centaines de bars, etc.
o Elles peuvent simplement contenir un espace libre pour recevoir l’échantillon, ou intégrer des outils permettant de réaliser des mélanges, apporter une agitation, un flux de gaz ou de liquide, etc.
- D’un four, souvent appelé bloc calorimétrique, dans lequel le capteur, l’échantillon et sa référence sont placés pendant l’expérimentation. Ce four est équipé d’un système de régulation de température qui lui permet de précisément chauffer, refroidir ou maintenir la température selon un profil programmé par l’utilisateur.
Les calorimètres couvrent les besoins de la recherche et du développement de matériaux sous différentes formes (solides, poudres, liquides). Ils peuvent également être employés pour maitriser et optimiser leurs procédés de production. Ils sont utilisés sur une très large gamme de température et d’applications.
La Calorimétrie et les mesures de températures
Lorsque l’échantillon est chauffé dans un calorimètre et subit une transformation, son flux de chaleur vers le bloc calorimétrique s’amplifie, puis revient à une valeur de base après la fin de la transformation. Ainsi, l’analyse d’une courbe représentant le flux de chaleur en fonction du temps ou de la température permet de caractériser cette transformation.
Cette analyse permet selon le cas de déterminer les températures de fusion, de cristallisation, de réaction, de décomposition et de changement de phase (transformations solide-solide) des matériaux.
Les mesures de température par calorimétrie sont essentielles pour maitriser le comportement de ces matériaux, en particulier lorsqu’ils doivent être soumis à un traitement thermique pendant leur fabrication, leur utilisation ou leur recyclage.
La Calorimétrie et les mesures de chaleur
Un simple traitement mathématique permet de déterminer la chaleur de l’effet thermique mesuré. Pour ce faire, le calorimètre doit être préalablement étalonné à l’aide de matériaux de référence ou de cellules d’étalonnage spéciales.
Ce traitement mathématique, effectuable simplement par n’importe quel utilisateur, permet donc de déterminer les chaleurs de fusion, de cristallisation, de mélange, de formation, de réaction, de décomposition et de changement de phase (transformations solide-solide) des matériaux. Selon les cellules utilisées, l’influence de conditions telles que la pression, l’atmosphère, l’humidité peut être étudiée.
La courbe de différence de flux de chaleur permet également de distinguer les effets endothermiques (qui absorbent de la chaleur : par exemples les fusions, les transitions vers une phase moins stable) des effets exothermiques (qui émettent de la chaleur : par exemple les cristallisations, la plupart des décompositions).
Ces mesures sont par exemple importantes pour évaluer la proportion d’un composant ou d’une phase dans le matériau, ou sa pureté, et pour estimer la chaleur à apporter au matériau ou à évacuer du matériau avant de l’utiliser dans un procédé industriel.
La Calorimétrie et la mesure de capacité thermique
La capacité thermique (Cp) caractérise à la fois l’aptitude d’un matériau à absorber une partie de la chaleur qu’il reçoit (le reste étant transmis) et l’augmentation de température qu’il subira en absorbant cette chaleur. Il s’agit donc d’une donnée fondamentale pour comprendre, concevoir et optimiser des systèmes dont l’échange de chaleur est un processus important : moteurs, systèmes de chauffages, procédés industriels, batteries, fours, etc.
La calorimétrie, via l’utilisation d’une procédure simple consistant à réaliser une série de mesures est capable de mesurer les valeurs de Cp à une température, ou sa variation sur un intervalle de température choisi par l’utilisateur.
