Physique du primaire et du collège · Grades 1–9

34Chaleur et isolation

Pourquoi le toboggan en métal paraît-il glacé alors que le banc en bois juste à côté ne l’est pas ? Ce mystère nous suit depuis la première année de ce livre. Aujourd’hui, il tombe — avec les secrets du thermos, de la double fenêtre et du moineau tout gonflé en hiver. La clé est de cesser de demander ce que les choses semblent et de commencer à suivre où la chaleur coule.

34.1 La chaleur est en mouvement

Définition 34.1 (Chaleur)

La chaleur est de l’énergie en transit, d’un corps plus chaud vers un corps plus froid. La soupe passe de la chaleur à la cuillère, le radiateur à la pièce, ta main à une boule de neige. La chaleur n’est pas une matière cachée dans les objets chauds — c’est un écoulement, et il a toujours un sens.

Proposition 34.2 (La chaleur descend la pente)

Livrée à elle-même, la chaleur va toujours du corps le plus chaud vers le plus froid — jamais dans l’autre sens. L’écoulement dure tant que les deux températures diffèrent, et s’éteint quand elles se rejoignent : laissés ensemble assez longtemps, un voisin chaud et un voisin froid finissent à une même température partagée.

Exemple 34.3 (Lire le sens de l’écoulement)

La petite cuillère dans le thé devient chaude : la chaleur a coulé du thé $\to$ vers la cuillère. La limonade aux glaçons devient froide — attention ! Rien qui s’appellerait « froid » n’y est entré : c’est la chaleur qui a coulé hors de la limonade vers la glace, en la faisant fondre. Le froid n’est pas un écoulement ; ce n’est que le nom que nous donnons au camp du perdant. Les livres de physique disent tous « la boisson perd de la chaleur », jamais « la boisson gagne du froid ».

Une règle pour toutes les cuisines et tous les hivers : la chaleur descend la pente, du plus chaud vers le plus froid, jusqu’à ce que la pente ait disparu.

34.2 Voies rapides et voies lentes

Définition 34.4 (Conducteurs et isolants thermiques)

Les matières diffèrent énormément par la vitesse à laquelle elles laissent la chaleur les traverser. Un conducteur thermique est une voie rapide — les métaux avant tout. Un isolant thermique est une voie lente : le bois, la laine, le plastique, les plumes — et la championne, l’air immobile, emprisonné de façon à ne pas pouvoir tourbillonner. (Les mots sont empruntés volontairement aux conducteurs et aux isolants de l’électricité ; les deux propriétés vont souvent ensemble, mais pas toujours.)

Un matin de gel dans la cour : le toboggan en métal et le banc en bois ont passé la même nuit à la même température — et pourtant, un seul des deux mordra ta peau.

Exemple 34.5 (Le mystère du toboggan, résolu)

Le toboggan en métal et le banc en bois ont passé la nuit à la même température glaciale — le thermomètre l’a juré il y a longtemps. Touche-les : ta main est plus chaude que les deux, la chaleur coule donc de toi vers chacun. Mais le métal est une voie rapide — il emporte ta chaleur à toute allure, et c’est cette ruée que l’on ressent comme « glacé ». Le bois ne prend ta chaleur qu’au compte-gouttes : à peine frais. Ta peau n’a jamais mesuré la température — elle mesure la vitesse de sa propre perte de chaleur. Affaire classée, après quatre ans.

Méthode 34.6 (La course au refroidissement)

Regarde l’isolation gagner, avec des nombres :

remplir deux tasses identiques d’eau du robinet également chaude (demande à un adulte de l’eau chaude à la main, pas bouillante) ;
envelopper une tasse dans une épaisse écharpe de laine ; laisser l’autre nue ;
planter un thermomètre dans chacune et noter les deux températures dans un tableau toutes les cinq minutes, six fois ;
tracer les deux relevés en deux courbes sur un même graphique, la température en fonction du temps.

La courbe de la tasse nue plonge ; celle de la tasse enveloppée descend en pente douce. Même départ, même pièce — la laine a fait de la sortie de la chaleur une voie lente.

La course au refroidissement, tracée : deux tasses d’eau à 50\, C dans une pièce à 20\, C. La laine ne peut pas empêcher la chaleur de s’échapper — mais elle la ralentit magnifiquement. — La course au refroidissement, tracée : deux tasses d’eau à $50\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dans une pièce à $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . La laine ne peut pas empêcher la chaleur de s’échapper — mais elle la ralentit magnifiquement.

Remarque 34.7 (L’isolation ne fait que ralentir)

Regarde où les deux courbes se dirigent : vers les $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ de la pièce. Aucune écharpe, aucun thermos, aucun mur d’igloo n’arrête jamais l’écoulement de la chaleur vers le bas de la pente — l’isolation ne fait que rendre la voie lente encore plus lente. C’est aussi pour cela que le manteau posé sur le bonhomme de neige (tu t’en souviens ?) a retardé sa fonte sans pouvoir le sauver : la chaleur de l’été s’infiltrait quand même.

34.3 L’art d’emprisonner l’air

Exemple 34.8 (Ingénierie d’hiver)

Presque tout ce que tu possèdes de chaud est une machine à emprisonner l’air. La laine ne te réchauffe pas par ses fibres elles-mêmes, mais par les innombrables poches d’air entre elles ; les couettes en plumes, la polaire et le moineau roulé en boule sur un fil gelé jouent tous la même carte. Les maisons s’y mettent aussi : les doubles fenêtres emprisonnent une couche d’air entre deux vitres, et les murs isolés sont remplis d’un rembourrage duveteux, avare d’air. L’air immobile est la championne des voies lentes — toute l’astuce est de le garder immobile.

Exemple 34.9 (Le thermos)

La bouteille thermos est le chef-d’œuvre de l’isolation : une bouteille dans une bouteille, l’air entre les deux étant aspiré jusqu’à presque rien — et là où il n’y a presque pas de matière, l’écoulement de la chaleur ne trouve presque aucune voie (un tour qu’il vaut la peine de retenir : c’est le même vide qui a fait taire la sonnette sous la cloche). Ajoute des parois brillantes pour renvoyer à l’intérieur le rayonnement de la chaleur, et le chocolat chaud retrouve l’après-midi encore chaud — ou la limonade encore froide : le thermos ne connaît ni chaud ni froid, il se contente de fermer les voies, dans les deux sens.

Remarque 34.10 (Se tenir chaud, dit correctement)

La vieille question du manteau se referme pour de bon. Un manteau, c’est de l’air emprisonné autour d’un fabricant de chaleur : toi. Ton corps déverse de la chaleur vers l’extérieur toute la journée ; le manteau transforme ce flot en filet, et tu restes chaud grâce à ta propre production. Sur le bonhomme de neige — aucun fabricant de chaleur à l’intérieur — le même manteau ne fait que ralentir le filet de chaleur qui entre de l’été. L’isolation n’a pas de préférés : elle ralentit l’écoulement, dans quelque sens qu’il aille.

34.4 Exercices

Exercice 34.1 ★

Qu’est-ce que la chaleur, et dans quel sens coule-t-elle d’elle-même ? Quand l’écoulement s’arrête-t-il ?

Solution

Solution de Exercice 34.1.

La chaleur est de l’énergie en transit, d’un corps plus chaud vers un corps plus froid ; livrée à elle-même, elle ne coule que vers le bas de la pente, du chaud vers le froid, et s’arrête quand les deux températures se sont rejointes.

Exercice 34.2 ★

« Ferme la porte, tu fais entrer le froid ! » Réécris la phrase de la grand-mère comme le ferait un livre de physique.

Solution

Solution de Exercice 34.2.

« Ferme la porte, tu laisses sortir notre chaleur ! » — le froid n’entre pas ; c’est la chaleur de la maison qui s’écoule vers la rue plus froide.

Exercice 34.3 ★

Range en voies rapides et voies lentes pour la chaleur : une casserole en cuivre ; une écharpe en laine ; une cuillère en acier ; de l’air immobile ; une cuillère en bois ; une couette.

Solution

Solution de Exercice 34.3.

Voies rapides : la casserole en cuivre, la cuillère en acier. Voies lentes : l’écharpe en laine, l’air immobile, la cuillère en bois, la couette.

Exercice 34.4 ★

Pourquoi les casseroles ont-elles un fond en métal mais un manche en plastique ou en bois ? Réponds avec les voies.

Solution

Solution de Exercice 34.4.

Le fond doit être une voie rapide, pour précipiter la chaleur de la cuisinière dans les aliments ; le manche doit être une voie lente, pour tenir cette même chaleur à l’écart de ta main. Un seul outil, les deux talents, chacun à sa place.

Exercice 34.5 ★

Enfin, avec tes propres mots : pourquoi le métal paraît-il plus froid que le bois à la même température ? Que mesure réellement la peau ?

Solution

Solution de Exercice 34.5.

Les deux sont à la même température, mais le métal est une voie rapide : il emporte la chaleur de ta main, plus chaude, à toute allure, et cette ruée est la sensation de « glacé ». La peau mesure la vitesse de sa propre perte de chaleur, pas la température.

Exercice 34.6 ★

Dans la course au refroidissement, pourquoi les deux tasses doivent-elles être identiques et partir aussi chaudes l’une que l’autre ? Quelle unique différence l’expérience teste-t-elle ?

Solution

Solution de Exercice 34.6.

Une course honnête ne change qu’une seule chose — l’enveloppe. Des tasses identiques, une chaleur de départ égale et la même pièce garantissent que l’écharpe seule explique toute différence entre les deux courbes.

Exercice 34.7 ★

Lis le graphique du refroidissement : à quelle température se trouve à peu près chaque tasse après $15$ minutes ? Vers quelle température les deux courbes se dirigent-elles, et pourquoi ?

Solution

Solution de Exercice 34.7.

Après $15$ minutes : la tasse enveloppée est à environ $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , la tasse nue à environ $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Les deux courbes se dirigent vers les $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ de la pièce : l’écoulement dure jusqu’à ce que les températures se rejoignent, et l’isolation ne fait que ralentir le voyage.

Exercice 34.8 ★

Pourquoi un moineau se gonfle-t-il en boule sur un fil gelé ? Cite trois inventions humaines qui jouent la même carte.

Solution

Solution de Exercice 34.8.

Les plumes gonflées emprisonnent une épaisse couverture d’air immobile — la championne des voies lentes — autour du corps chaud de l’oiseau. La même carte : les vêtements de laine, les couettes en plumes, les doubles fenêtres (ou la polaire, les murs isolés).

Exercice 34.9 ★★

Le même thermos garde le chocolat chaud en janvier et la limonade froide en juillet. Explique comment un seul objet réussit les deux métiers — que fait réellement le thermos, et à quoi ?

Solution

Solution de Exercice 34.9.

Le thermos ne fabrique ni chaleur ni froid : il ferme les voies de la chaleur — du vide entre ses deux parois, du brillant pour renvoyer le rayonnement. En janvier, il empêche la chaleur du chocolat de s’échapper ; en juillet, il empêche la chaleur de l’été de s’infiltrer. Un seul objet, les deux sens, parce que c’est l’écoulement, et rien d’autre, qu’il gouverne.

Exercice 34.10 ★★

Une marchande de glaces enveloppe ses bacs dans d’épaisses couvertures de laine un jour de canicule, et un client se moque : « La laine, c’est pour tenir chaud ! » Défends la marchande avec Remarque 34.10 — dans quel sens la chaleur essaie-t-elle de couler, et que lui fait la laine ?

Solution

Solution de Exercice 34.10.

Un jour de canicule, la chaleur essaie de couler de l’air chaud vers les bacs froids. La laine transforme ce flot entrant en filet — exactement le ralentissement qu’elle assure autour d’un corps chaud. L’isolation n’a pas de préférés ; c’est la marchande, et non le client, qui l’avait compris.

Exercice 34.11 ★★

Deux maisons traversent le même hiver : l’une avec des fenêtres simples, l’autre avec des doubles fenêtres. Explique avec les voies et l’air emprisonné pourquoi la maison à doubles fenêtres brûle moins de combustible — et pourquoi, d’après Remarque 34.7, elle a quand même besoin d’un peu de chauffage.

Solution

Solution de Exercice 34.11.

La double fenêtre emprisonne entre ses vitres une couche d’air immobile — une voie lente — si bien que la chaleur de la maison suinte là où la fenêtre simple la laisse ruisseler. Moins de chaleur qui s’échappe, moins de combustible pour la remplacer. Mais l’isolation ne fait que ralentir l’écoulement vers le bas de la pente, sans jamais l’arrêter : un peu de chaleur file toujours vers l’hiver, et le chauffage doit sans cesse la remettre.

Termes définis dans ce chapitre

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