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title: "Chaleur et isolation"
book: "Physique du primaire et du collège"
subject: physics
language: fr
chapter: 34
exercises: 11
source: https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation
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# Chapitre 34 — Chaleur 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) *[coule](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/5-flotter-et-couler#def-g1-floating-and-sinking-words)*.

## 34.1 La chaleur est en mouvement

**Définition 34.1 (Chaleur).**

La *chaleur* est de l’[énergie](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/29-lenergie-dans-la-vie-de-tous-les-jours#def-g5-everyday-energy-energy) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) va toujours du corps le plus chaud vers le plus froid — jamais dans l’autre sens. L’écoulement dure tant que les deux [températures](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) diffèrent, et s’éteint quand elles se rejoignent : laissés ensemble assez longtemps, un voisin chaud et un voisin froid finissent à une même [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) partagée.

**Exemple 34.3 (Lire le sens de l’écoulement).**

La petite cuillère dans le thé devient chaude : la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) qui a coulé *hors de la limonade vers la glace*, en la faisant [fondre](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/9-glace-eau-vapeur#def-g2-ice-water-steam-meltfreeze). 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) », 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/physics-1/g5-heat-and-insulation/fig-ffb083f2ab67.svg)

*Une règle pour toutes les cuisines et tous les hivers : la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) immobile*, emprisonné de façon à ne pas pouvoir tourbillonner. (Les mots sont empruntés volontairement aux [conducteurs](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/22-conducteurs-et-isolants#def-g4-conductors-insulators-conductor) et aux [isolants](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/22-conducteurs-et-isolants#def-g4-conductors-insulators-insulator) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/physics-1/g5-heat-and-insulation/img-be0c23320bbb.jpg)

*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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) — 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) glaciale — le [thermomètre](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) l’a juré il y a longtemps. Touche-les : ta main est plus chaude que les deux, la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) [coule](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/5-flotter-et-couler#def-g1-floating-and-sinking-words) donc de toi vers chacun. Mais le métal est une voie rapide — il emporte ta [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) à toute allure, et c’est cette *ruée* que l’on ressent comme « glacé ». Le bois ne prend ta [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) qu’au compte-gouttes : à peine frais. Ta peau n’a jamais mesuré la [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) — elle mesure la vitesse de sa propre perte de [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat). Affaire classée, après quatre ans.

**Méthode 34.6 (La course au refroidissement).**

Regarde l’isolation gagner, avec des nombres :

1. remplir deux tasses identiques d’eau du robinet également chaude ( *demande à un adulte de l’eau chaude à la main, pas bouillante* ) ;
2. envelopper une tasse dans une épaisse écharpe de laine ; laisser l’autre nue ;
3. planter un [thermomètre](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) dans chacune et noter les deux [températures](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) dans un tableau toutes les cinq minutes, six fois ;
4. tracer les deux relevés en deux courbes sur un même graphique, la [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/physics-1/g5-heat-and-insulation/fig-9604158c292d.svg)

*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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air). La laine ne te réchauffe pas par ses fibres elles-mêmes, mais par les innombrables poches d’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) entre deux vitres, et les murs isolés sont remplis d’un rembourrage duveteux, avare d’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air). L’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat), 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) emprisonné autour d’un fabricant de [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) : toi. Ton corps déverse de la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) à l’intérieur — le même manteau ne fait que ralentir le filet de [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat), et dans quel sens coule-t-elle d’elle-même ? Quand l’écoulement s’arrête-t-il ?

**Solution de Exercice 34.1.**

La [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) est de l’[énergie](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/29-lenergie-dans-la-vie-de-tous-les-jours#def-g5-everyday-energy-energy) en transit, d’un corps plus chaud vers un corps plus froid ; livrée à elle-même, elle ne [coule](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/5-flotter-et-couler#def-g1-floating-and-sinking-words) que vers le bas de la pente, du chaud vers le froid, et s’arrête quand les deux [températures](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) 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 de Exercice 34.2.**

« Ferme la porte, tu laisses sortir notre [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) ! » — le froid n’entre pas ; c’est la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) de la maison qui s’écoule vers la rue plus froide.

**Exercice 34.3 ★.**

Range en voies rapides et voies lentes pour la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) : une casserole en cuivre ; une écharpe en laine ; une cuillère en acier ; de l’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) immobile ; une cuillère en bois ; une couette.

**Solution de Exercice 34.3.**

Voies rapides : la casserole en cuivre, la cuillère en acier. Voies lentes : l’écharpe en laine, l’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-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 de Exercice 34.4.**

Le fond doit être une voie rapide, pour précipiter la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) de la cuisinière dans les aliments ; le manche doit être une voie lente, pour tenir cette même [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) ? Que mesure réellement la peau ?

**Solution de Exercice 34.5.**

Les deux sont à la même [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature), mais le métal est une voie rapide : il emporte la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat), pas la [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature).

**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 de Exercice 34.6.**

Une course honnête ne change qu’une seule chose — l’enveloppe. Des tasses identiques, une [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) se trouve à peu près chaque tasse après $15$ minutes ? Vers quelle [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) les deux courbes se dirigent-elles, et pourquoi ?

**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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) 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 de Exercice 34.8.**

Les plumes gonflées emprisonnent une épaisse couverture d’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-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 de Exercice 34.9.**

Le thermos ne fabrique ni [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) ni froid : il ferme les voies de la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) — du vide entre ses deux parois, du brillant pour renvoyer le rayonnement. En janvier, il empêche la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) du chocolat de s’échapper ; en juillet, il empêche la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#rem-g5-heat-and-insulation-coat) — dans quel sens la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) essaie-t-elle de [couler](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/5-flotter-et-couler#def-g1-floating-and-sinking-words), et que lui fait la laine ?

**Solution de Exercice 34.10.**

Un jour de canicule, la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) essaie de [couler](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/5-flotter-et-couler#def-g1-floating-and-sinking-words) de l’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) emprisonné pourquoi la maison à doubles fenêtres brûle moins de combustible — et pourquoi, d’après [Remarque 34.7](#rem-g5-heat-and-insulation-onlyslows), elle a quand même besoin d’*un peu* de chauffage.

**Solution de Exercice 34.11.**

La double fenêtre emprisonne entre ses vitres une couche d’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) immobile — une voie lente — si bien que la [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) de la maison suinte là où la fenêtre simple la laisse ruisseler. Moins de [chaleur](#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g5-heat-and-insulation-heat) file toujours vers l’hiver, et le chauffage doit sans cesse la remettre.