Comment l'énergie thermique transite de l'intérieur vers l'extérieur ?

L'énergie thermique se propage par convection, rayonnement thermique et conductibilité thermique.

Pour comprendre les phénomènes de transfert de la chaleur (ou énergie thermique), il faut admettre un modèle de représentation de la matière qui dit que celle-ci est constituée de petits morceaux invisibles à l'oeil nu qui bougent les uns par rapport aux autres.

- Dans le cas des corps solides - comme le métal, le bois, le verre ou le PVC - ces morceaux bougent tout en gardant une position moyenne constante. On dit qu'ils vibrent.

-Dans le cas des gaz et des liquides, ces morceaux bougent, tout en se déplaçant globalement selon une certaine direction.

Les vibrations de ces microscopiques éléments de matière représentent l'énergie thermique du corps en question. Plus l'amplitude et la fréquence de vibration sont grandes, plus le corps contient d'énergie, plus il est chaud.

La convection c'est le déplacement de la chaleur par le déplacement globale d'une quantité d'un corps chaud. Par exemple si vous puisez un seau de 10 L d'eau à 60 °C de votre chauffe-eau qui est alimenté en eau froide à 10°C, pour laver votre sol et que vous jetez ensuite cette eau sur votre pelouse, vous avez perdu par convection :

(60-10)×10×1.16=580 Wh, soit environ 1/2 kWh d'électricité.

Ou bien, si vous aérez une pièce de 30 m³ et que vous remplacez de l'air à 25°C par de l'air à 10°C, vous avez perdu par déplacement de l'air, donc par convection:

(25-10)×0.3×30×1.16=157 Wh , soit environ 1/6 de kWh .

Le coefficient 1.16 qu'on va rencontrer dans les calculs représente la valeur de la kilocalorie en Wh, comme 6.55957 représente la valeur de l'€uro en francs. Il permet de convertir la chaleur consommée par heure en kWh payé!!! Il vaut : 1000cal×4.18/3600=1.16Wh.

Mais il y a de la convection beaucoup plus pernicieuse et préjudiciable: c'est celle qui se produit sur l'ensemble de la surface de la maison en contact avec l'air ambiant extérieur, c'est à dire l'ensemble de la surface des murs extérieurs et des ouvertures donnant sur l'extérieur.
Les cours de thermodynamique appelle α en W/m²/°C le coefficient de transmission de la chaleur par convection, c'est à dire entre un corps fixe et de la matière mobile. Il dépend de la nature de la surface, de l'orientation de celle-ci et des conditions ambiantes.
En effet l'air qui s'est réchauffé et donc dilaté au contact de la surface est devenu plus léger et s'élève pour être remplacé par de l'air disons nouveau, donc plus frais. Mais ce renouvellement dépend de l'orientation de la surface et de son état de surface. Ce renouvellement dépend aussi du mouvement global de l'air, c'est-à-dire du vent. Quand il y a du vent, on se met à l'abri pour avoir moins froid. Il faut donc apporter deux coefficients correcteurs d'où en première approximation:

α=2×(ΔT)^1/4×σ×(1+V^3/4)

σ vaut environ 1,5 pour une surface lisse, comme la tôle propre, et 3 pour une surface rugueuse comme la pierre, le béton, ou le crépis.

Si on considère une maison moyenne ayant environ 110 m² de surface latérale et 110 m² de plafond, cela donne avec un mur à 23°C et une ambiance extérieure à -7°C par vent nul:

Q = α×S×(t₂-t₁) = 2×(30)^0.25×3×30×220 = 93 kW

avec un bon vent, jolie brise, de 10 m/s

Q = 614 kW

Ce qui est énorme. Par contre si la surface du mur est à -6° on a respectivement 1,32 kW et 8,74 kW .
C'est encore beaucoup! On constate que pour éviter les pertes par convection, la résistance thermique du mur doit être très grande de sorte que la température de surface du mur soit pratiquement égale à la température de l'air extérieur. Toute calorie qui arrive à la surface du mur est irrémédiablement condamnée a s'envoler dans l'atmosphère.

On peut s'en rendre compte lorsqu'on grelotte de froid avec des habits trempés. Les habits mouillés sont de bons conducteurs de notre chaleur, et la convection de l'air saisit toutes les calories. Avant l'averse, les habits étant secs, on n'a pas froid.
Les habits, c'est comme l'isolation du mur, ce sont eux qui font barrière à la perte de la chaleur.

Il existe encore d'autres pertes par convection: ce sont toutes les fuites d'air par les joints sous les portes, autour des portes et des fenêtres, par les prises d'air pour le renouvellement indispensable de l'air respiré dans la maison qui doit être d'au moins 25 m³ par heure et par personne. On reviendra sur ce point ultérieurement.

Les pertes par rayonnement thermique sont encore plus impalpables que les pertes par convection, car contrairement aux courants d'air sous les aérateurs ou près des interrupteurs, on ne les sent pas.

Les pertes par rayonnement thermique d'un corps plongé dans une ambiance, et petit par rapport à celle-ci, sont données par la formule:

q (W/m²) = σ×[(T₁/100)⁴-(T₂/100)⁴] avec T en °K

σ est un coefficient qui caractérise le matériau. Pour la pierre, le béton il vaut environ 4.
Si la maison, d'une surface murs, plus plafond, plus plancher de S = 330 m², était seule dans l'univers cela donnerait:

Q = S×q = 330×4×(296/100)⁴ = 101 kW

Si on admet que la maison est sur terre dans une ambiance à -7°C, avec ses murs non isolés à + 23°C on obtient, en ne tenant pas compte du plancher:

Q = 220×4×[(296/100)⁴-(266/100)⁴] = 220×4×(81-53) = 20.8 kW

Mais la surface des murs, on l'a vu, va descendre à -6°. Les pertes par rayonnement thermique seront alors:

Q = 220×4×[(267/100)⁴-(266/100)⁴] = 220×4×[(1/100)⁴(4×266³)]

= 220×4×(1/100)×4×2,66³ = 0.662 kW soit 2/3 kW.
(pour les pointilleux, j'applique: a⁴-b⁴=(a-b).(a³+a².b+a.b²+b³)).

Les pizzas, le pain, sont cuits par rayonnement thermique de la chaleur emmagasinée par la voûte.....

Le dernier type de propagation de la chaleur est la conduction ou conductibilité thermique.

Si on considère une barre de ferraille plongée par un bout dans de la braise ardente, le rayonnement infrarouge de la braise va exciter les atomes du fer qui vont vibrer plus fortement. Ils vont cogner des atomes voisins qui vont être excités à leur tour et ainsi de proche en proche jusqu'à l'autre extrémité. Celle-ci s'échauffera et vous vous brûlerez lorsque vous voudrez la saisir.

Plus un corps est dense c'est à dire lourd, plus il est conducteur.
Le corps le moins conducteur est le vide: sa conductance thermique est nulle, sa résistance thermique est infinie. C'est pour cela que les bouteilles thermos d'il y a un siècle, à double-cloison "remplie" de vide gardait le café chaud pendant 24 heures, alors que les thermos actuelles le garde tiède pendant à peine 3 à 4 heures. Cela prouve que le polystyrène est nettement moins isolant que le vide.
Ensuite vient l'air, à condition d'être SEC et IMMOBILE. Ce qui isole avec le polystyrène expansé, ce n'est pas le polystyrène mais les bulles d'air qui sont emprisonnées à l'intérieur. Ce qui isole avec une combinaison de plongée, ce n'est pas le caoutchouc, mais les bulles d'air qui sont emprisonnées à l'intérieur ; et c'est pour cela qu'il faut mettre une ceinture de plomb pour descendre vers les abîmes.
Cela a été dit plus haut, l'eau est bonne conductrice de la chaleur, avec un λ=0,65, 15 fois plus que le polystyrène, et en plus elle emmagasine bien la chaleur, c'est pour cela qu'on peut utiliser des chauffe eau à accumulation.
Tous les matériaux utilisés en isolation isolent grâce aux bulles d'air qu'ils contiennent.

Lorsque vous touchez du polystyrène, il vous semble chaud, alors qu'il est à la température ambiante, à -15 s'il fait -15, parce qu'il est mauvais conducteur et qu'il ne vous prend pas de chaleur. Si vous touchez une pierre ou un bout de ferraille à l'ombre, il vous semble froid parce que, bon conducteur, il vous prend de la chaleur. La sensation de froid, c'est la perte de chaleur.