Matériaux à changement de phase

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Le terme Matériau à Changement de Phase - ou MCP - désigne, de manière générale, tout matériau capable de changer d'état physique. Cependant, seuls certains MCP sont intérressants et utilisables dans les domaines d'application actuels (isolation thermique, capteurs solaires thermiques sous vide,...).

Par la suite, nous n'évoquerons que les MCP dont les domaines d'utilisation concernent les phases liquides/solides.

Principe du changement de phase : Chaleur Sensible et Chaleur Latente

Tout matériau, solide ou liquide (ou gazeux) possède une capacité à stocker ou céder de l'énergie sous forme de chaleur. On distingue 2 types de transfert de chaleur (ou transfert thermique):

• Le transfert thermique par l'utilisation de la Chaleur Sensible (CS) : dans ce cas, le matériau en question peut céder ou stoker de l'énergie en voyant varier sa propre température, sans pour autant changer d'état. La grandeur utilisée pour quantifier la CS échangée par un matériau est la Chaleur Massique notée C_p dans le cas d'un solide ou d'un liquide et exprimée en J/(kg.K).

Exemple : Cp eau = 4186 J/(kg.K) signifie qu'il faut 4186 Joules pour élever 1 kg d'eau de 1°C (valable aux températures proches de 20°C)

• Le transfert thermique par l'utilisation de la Chaleur Latente (CL) : dans ce cas, le matériau peut stocker ou céder de l'énergie par simple changement d'état, tout en conservant une température constante, celle du changement d'état. La grandeur utilisée pour quantifier la CL échangée par un matériau est la Chaleur Latente de Changement de Phase notée L_f (pour fusion) pour un changement de phase Liquide/Solide, et L_v (pour vaporisation) pour un changement de phase Liquide/Vapeur. Celle-ci est exprimée en J/kg.

Exemple : Lf eau liquide = 330.10³ J/kg signifie que la fusion, c'est-à-dire la fonte, de 1 kg de glace 

à la température (constante) de 0°C nécessitera une énergie de 330000 Joules soit 330 kJ.

Interêts des Matériaux à Changement de Phase

La Compacité ou la Densité Énergétique

Il est important de noter que les quantités d'énergie mises en jeu dans le processus de Changement de Phase sont bien plus importantes que celles qui interviennent lors de transferts sensibles (dans la mesure où l'on travaille sur des intervalles restreints de températures). C'est grâce à ces transferts sensibles qu'il est aujourd'hui possible de réduire considérablement le volume d'un élément de stockage d'énergie (Compacité), ou encore d'augmenter très fortement la quantité d'énergie contenue dans un même volume de stockage (Densité Énergétique).

On notera, d'autre part, qu'un MCP peut cumuler les 2 types de transferts thermiques décrits précédemment.