L'aluminium dissipe mieux la chaleur dans l'air que le cuivre ?

On entend souvent dire que l'aluminium aurait comme propriété de mieux dissiper la chaleur dans l'air que le cuivre tout ça parce qu'un radiateur en aluminium se refroidit plus vite qu'un radiateur en cuivre. Cette perception est réelle, mais la conclusion qui en est tirée est fausse. Revenons d'abord aux caractéristiques physiques intrinsèques du cuivre et de l'aluminium (valeurs à 25 °C) :

Propriétés physiques des matériaux	Aluminium pur	Cuivre pur
Masse volumique (kg/m³) notée Rho	2702	8933
Conductivité thermique (W/m.K) notée k	216	401
Capacité calorifique (J/kg.K) notée Cp	903	385

La conductivité thermique est la capacité d'un métal à transmettre par conduction (mode de transfert dans les solides) la chaleur dans toutes les directions, plus celle-ci est élevée mieux c'est dans notre cas. Le Cp est la capacité d'un volume de métal à emmagasiner une certaine énergie thermique au sein du volume. A masse égale, l'alu peut donc emmagasiner plus d'énergie que le cuivre, mais il ne faut pas oublier que 1 kg d'alu et 1 kg de cuivre n'occupent pas du tout le même volume puisque le cuivre est environ 3.3 fois plus dense que l'alu. La perception observée du refroidissement plus rapide vient de ce fait puisque le volume de l'objet intervient. Si l'on raisonne à design égal, donc à volume égal, l'énergie emmagasinée se calcule de la façon suivante :

Energie emmagasinée entre 2 états = Cp * Rho * Volume * Différence de T° entre les 2 états

On calcule l'énergie emmagasinée pour un même volume et une même différence de température. On fait le rapport des 2 énergies donc le volume et la différence de température s'annulent, il reste donc Energie_cuivre/Energie_alu = 385*8933/903*2702 = 1.4, ce qui signifie que, pour une différence de température et un volume donnés, le cuivre permet d'emmagasiner 1.4 fois plus d'énergie que l'alu. C'est cela qui donne une fausse impression sur le pouvoir de dissipation de l'alu par rapport au cuivre. Puisque l'alu contient moins d'énergie, il va forcément se refroidir plus rapidement à conditions extérieures égales. Il n'est pas pour autant plus efficace en dissipation, les 2 notions sont indépendantes.

En fait, cette capacité à emmagasiner la chaleur ne nous intéresse pas puisque l'efficacité se mesure en régime permanent, aussi appelé équilibre, c'est à dire qu'au bout d'une longue période d'activité, plus rien n'évolue dans le matériau au niveau de la distribution des températures au sein du volume. Il n'y a pas stockage d'énergie durant le régime permanent contrairement au régime transitoire, qui lui est l'évolution du système vers cet équilibre (par exemple, l'augmentation de température de l'eau dans un watercooling jusqu'à arriver à une température limite que l'on ne dépassera pas). La capacité calorifique influence la manière dont les matériaux réagissent à une sollicitation extérieure, par exemple à l'admission brutale de puissance dans un radiateur lors du passage à pleine charge, ce qui ne nous importe pas trop finalement.

Cette différence énergétique explique donc une partie de cette fausse perception en faveur de l'alu. Pour compléter ceci, on peut parler du phénomène qui intervient dans la transfert de chaleur avec l'air, appelé convection (mode de transfert de l'énergie thermique d'un solide à un fluide notamment). C'est cette convection qui est responsable de l'évacuation de la chaleur en dehors du radiateur ou du waterblock. Elle est définie de la manière suivante :

On définit la manière dont l'énergie est transférée de la plaque au fluide par l'équation ci-dessous :

Q = h * S * (T°milieu-T°surface)

Q est la quantité d'énergie transférée du solide vers le fluide, elle est donnée en watts. S désigne la surface du système étudié, donnée en m². On remarque tout de suite que plus la différence de température entre le fluide et le solide est importante, plus l'échange thermique entre les 2 est important. Attention, Q est négatif si la plaque est plus chaude que le fluide, car on se place du point de vue de la plaque qui perd de l'énergie. On va toujours du chaud vers le froid ou plus exactement vers le moins chaud.

Le terme le plus intéressant est h. Il désigne le coefficient d'échange convectif, donné en W/m².K. Il représente la "force" avec laquelle le fluide est capable d'absorber la chaleur localement à la surface de la plaque. En effet, ce h varie en chaque point de la surface, car c'est l'écoulement en ce point qui déterminera sa valeur. On peut néanmoins globaliser h à une surface étendue suivant certains critères. Le h est influencé par un grand nombre de paramètres physiques du fluide et de l'écoulement dont les principaux sont : la vitesse près de la paroi qui conditionne le niveau de turbulence, sa masse volumique, sa capacité calorifique, sa viscosité, etc. Le but étant évidemment d'obtenir un h très élevé pour avoir un transfert thermique le plus efficace possible. L'ordre de grandeur pour h est de 500 à 100 000 W/m².K pour l'eau suivant la façon de l'injecter dans le bloc. Pour l'air et en convection forcée (ventilateur), h varie de 100 à 500 W/m².K environ.

On voit donc que le transfert convectif n'est nullement influencé par la nature du métal sur lequel l'écoulement évolue. Si on a 2 plaques de même géométrie, l'une en cuivre et l'autre en alu (ou n'importe quel matériau) soumises à une même distribution de température et un écoulement similaire, la façon dont la chaleur est transférée d'un milieu à un autre est la même.

On peut alors se demander pourquoi 2 radiateurs identiques, l'un en alu et l'autre en cuivre, soumis au même flux d'air vont donner 2 températures différentes alors qu'on vient de dire le contraire. C'est simple. Il a bien été précisé "soumis à une même répartition de température", or la différence observée vient du fait que cette répartition à l'intérieur des 2 radiateurs est différente. L'alu ayant une conductivité thermique faible en comparaison du cuivre la chaleur va mettre plus de temps pour parcourir une distance donnée. Ceci a pour effet de créer une zone de chaleur plus intense juste au dessus du processeur. Le cuivre, conduisant mieux la chaleur, permet d'avoir un meilleur étalement de celle-ci dans tout le radiateur. Cela permet d'assurer une plus grande homogénéité de température sur toute la surface et donc facilite l'enlèvement de la chaleur par le fluide si le h n'est pas très élevé, ce qui est le cas en refroidissement par air.

L'exemple ci-dessous est une étude 2D d'une plaque de largeur 50 mm soumise au chauffage d'un processeur de largeur 10 mm sur le dessous. La surface supérieure est refroidie par un écoulement "générique" où l'on impose un h constant sur toute la surface (T° milieu = 300 K = 26.85 °C), les conditions extérieures sont donc identiques entre l'alu et le cuivre, seul le matériau change :

Visualisation de la répartition des températures au sein d'une plaque d'alu et de cuivre

Cela permet d'illustrer la zone de chaleur que l'on peut observer au dessus du core puisque la chaleur ne diffuse pas assez rapidement dans la plaque d'alu, le core est donc plus chaud (l'échelle des températures est la même pour les 2 plaques). Concernant cette meilleure homogénéité, si il y avait des ailettes sur le dessus chacune d'entre elles serait plus efficace sur la plaque de cuivre, car quasiment toutes soumises à une même température à leur base, ou tout du moins plus que dans le cas de l'alu :

Meilleure homogénéité thermique sur le dessus de la plaque de cuivre

Pour l'alu, on aura :

les ailettes centrales juste au dessus du core surchauffées et mal ventilées, ce qui est le cas de beaucoup de radiateurs, car elles sont situées dans la "zone morte" sous le moteur du ventilateur
les ailettes extérieures peu chauffées et donc ne dissipant qu'une faible partie de la puissance totale, alors que c'est là où le flux d'air est le plus important

La surface de contact core/plaque est plus chaude lorsqu'il s'agit d'alu

Si un processeur dissipe 70 W et qu'on prend un radiateur en cuivre ou en alu, à l'équilibre les 2 dissipent la même chose ! Les 70 W seront intégralement évacués par le flux d'air (on négligera les pertes par conduction vers la carte mère). Ce qui rentre dans un système est égal à ce qui en sort (principe de conservation de l'énergie). Dire qu'un radiateur en cuivre dissipe plus qu'un radiateur en alu est faux, il est juste plus efficace car il assure une meilleure répartition de la température au sein de la base notamment. Puissance et température sont 2 choses distinctes.

On utilise généralement une base en cuivre avec des ailettes en aluminium pour des raisons de coût de fabrication, car extruder de l'alu c'est facile, mais extruder du cuivre ça l'est bien moins. La masse est aussi un facteur important, car qui voudrait se retrouver avec un radiateur de 1 kg sur son socket ? Et enfin parce que les constructeurs estiment que dans des conditions normales d'utilisation cela suffit à refroidir convenablement (l'overclocking n'est pas leur préoccupation principale). Un radiateur tout cuivre sera plus performant qu'un radiateur alu ou alu/cuivre (à même design) puisque la conductivité plus importante du cuivre est bénéfique à plusieurs niveaux : celui de la base expliqué plus haut (étalement de puissance) et le fait qu'il augmente l'efficacité des ailettes en conduisant très vite la chaleur sur toute leur surface (ailettes fines). L'homogénéité dans toutes les ailettes est l'une des clés d'un radiateur performant :