Chaleur et matériaux isolants

 

Qu’est-ce que la chaleur et comment se diffuse t-elle dans les matériaux ? Qu’est-ce qui fait que des matériaux sont plus isolant que d’autres ? Un peu théorique mais facile à lire (je pense)…

La chaleur est une forme d’énergie, c’est même sa forme la plus « dégradée » ce qui signifie que c’est la forme qui est la plus difficile à utiliser : c’est très compliqué de fabriquer de l’électricité avec de la chaleur, c’est beaucoup plus facile de faire la contraire, faire de la chaleur à partir de l’électricité. On voit bien que l’énergie peut prendre des formes plus ou moins « nobles », utilisables ou transformables. La chaleur est en bas de l’échelle. Plus encore, c’est très souvent un déchet dont on cherche à se débarrasser, comme dans un moteur de voiture par exemple. Tous les appareils, toutes les machines produisent de la chaleur, et le problème en général, c’est de l’évacuer. Et, au final, tout finit en chaleur, très souvent à cause des frottements mécaniques.

La chaleur se diffuse naturellement du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid. Elle circule moins bien dans certains matériaux que dans d’autres, ils sont dits plus isolants que d’autres. Elle peut même se déplacer dans le vide… Dans certains cas on cherchera à utiliser des matériaux isolants pour la confiner, comme pour une maison, dans d’autres cas on en choisira d’autres pour favoriser son évacuation, comme dans un moteur. Elle a 4 modes de propagation :

  • la conduction au travers de matériaux solides « conducteurs »
  • la convection naturelle, quand elle se déplace avec le mouvement naturel de la matière fluide, liquide ou gazeuse
  • la convection forcée, lorsqu’on accélère les mouvements de fluide avec une pompe ou un ventilateur par exemple.
  • le rayonnement, comme la lumière qui se propage.

La conduction de la chaleur

Lorsqu’on veut économiser l’énergie de chauffage d’une maison, on va chercher à confiner cette énergie pour éviter qu’elle ne sorte de la maison. On va s’intéresser ici au problème du transfert de chaleur par conduction. Pour la conduction, la capacité d’un matériaux à être un bon isolant se mesure avec une unité représentée par la lettre « lambda » (la lettre grecque : ). Comment mesure-t-on cette unité et que signifie -t-elle ?

Supposons qu’entre un milieu froid et un milieu chaud on intercale un écran solide. On fixe une différence de température de 1 degré C entre les deux milieux (je sais, c’est très peu). La chaleur va avoir tendance à passer par conduction au travers de l’écran du milieu chaud vers le milieu froid. On décide que l’écran a 1 mètre carré de surface et 1 mètre d’épaisseur (l’écran est donc un cube de 1 mètre de coté). La chaleur va parcourir une distance de 1 mètre dans l’écran pour aller de la face chaude à la face froide par conduction. Alors on mesure la quantité de chaleur qui passe à chaque seconde au travers de l’écran, c’est à dire la puissance thermique en Watt qui traverse. Plus cette quantité est petite, meilleur est le matériaux isolant. Par exemple, si l’écran est constitué de laine de roche (un très bon isolant) la puissance thermique qui passe au travers de l’écran est de 0,04 W, on dira que lambda = 0,04 (ce qui est un très bon résultats. Si on remplace l’écran par un bloc de béton plein, la puissance transmise sera de 2 Watt ( le béton est donc 50 fois moins bon isolant que la laine de roche). Pour un bloc d’acier, ce sera 60 watt (1500 fois moins bon). Lambda s’exprime en W par mètre et par degré : W/mK, sa valeur dépend de la nature de l’isolant, plus elle est petite, plus il est performant.

Voilà quelques valeurs intéressantes de lambda :

Murs isolants

paille

0.07

Terre crue

0.85

thermopierre

0.10

monomur

0.11

Beton de chanvre

0.13

Isol de synthese

Mousse de polyuréthane

0.025

Polystyrène extrudé

0.03

Polystyrène expansé

0.04

Laines minerales

Laine de roche

0.04

Laine de verrre

0.04

Isolants mineraux

vermiculite

0.07

Argile expansé

0.10

Isolants végétaux

liège

0.036

Laine de chanvre

0.04

Laine de lin

0.04

Laine de coton

0.04

Ouate de cellulose

0.04

Laine de coco

0.05

Isolants animaux

Plume de canard

0.033

Laine de mouton

0.035

Air

Immobile et sec

0.0262

Materiaux lourds

marbre

2.5

verre

0.5 à 1

Briques perforées allégées

0.4

beton

1.6 à 2.1

platre

0.4

Briques

0.3 à 0.9

eau

0.6

bois

Fibres parallèles

0.36

Fibres perpendiculaires

0.15

Autres matéraux

Argent

430

Cuivre

348 à 390

Or

320

Aluminium

200 à 236

Platine

70

Fer

56

Acier

60

Acier doux

52

Quartz

8

Pierre naturelle non poreuse

3,5

Marbre

2,5

Diamant

1000 à 2600

verre

0,5 à 1,15 terTTerre

terre seche

0,17 à 0,58

terre à 10% d’eau

0,50 à 2,1

terre à 20% d’eau

0,80 à 2,60

Pierre naturelle poreuse

0,55

Béton cellulaire

0,14 à 0,23

Sapin

0,12

Linoléum naturel

0,081

Isolant fibreux

0,05

Perlite

0,045 à 0,05

Liège

0,04 à 0,05

Cellulose

0,04

Marbre

2,5

eau

0.6

briques perforées allégées

0.4

Bois de pin (parallèle aux fibres)

0.36

Bois de pin (perpendiculaire aux fibres)

0.15

feutre

0.047

Paille (densité de paille de 83 kg/m3, inclut un supplément de 20% d´humidité)

0.040

Quelques commentaires sur ce tableau 

Les meilleurs isolants industriels (polyuréthane, polystyrènes, laine de roche) sont à peine meilleurs que les meilleurs isolants naturels (laine de mouton, duvet, coton, liège…). L’explication est que ce n’est pas le matériaux qui est isolant, mais l’air immobile qui est piégé dans ses alvéoles et ses fibres. Le meilleur isolant c’est l’air, mais à la condition essentielle qu’il soit immobile. L’air est, comme tous les fluides, un isolant dont les performances se dégradent si on a une couche trop épaisse parce que c’est dans ce cas qu’on développe des mouvements de convection. Un couche d’air libre de 2 cm a les mêmes propriétés isolantes qu’une couche d’air de 30 cm d’épaisseur car l’air se déplace à l’intérieur. C’est donc la capacité à bloquer l’air dans des bulles très petites qui fait la performance des meilleurs isolants.

Nous avons donc à notre disposition les meilleurs isolants du marché depuis des milliers d’années (laine, duvet, chanvre…). C’est cela qui m’a toujours étonné, lorsque je visitais le château de Versailles et toutes ses cheminées dans lesquelles des forets entières devaient disparaître chaque année. Ou encore les Thermes de Caracalla et ses chaudières alimentées en permanence par des armées d’esclaves…. Il aurait suffit de quelques centimètres de laine ou de paille dans un interstice ménagé entre deux élévations de mur en pierre pour que tout semble tellement plus simple. On avait tout sous la main. Depuis toujours on sait choisir les bons vêtements quand il fait froid, en ajouter une couche quand il fait très froid, mais il a fallu attendre très longtemps pour appliquer ce principe simple aux immeubles. Certes, on n’avait pas à l’époque une bonne théorie de la chaleur, et cette théorie arrivera à la fin du 18 ième siècle, et pourtant, on a continué comme cela jusque dans les années 70 . Ce seront même les pires années en matière de construction économe en énergie.

Les rois de France, comme les empereurs romains souffraient aussi de chaleur l’été, et nous n’avons pas su faire mieux pendant des siècles. Pire encore, on continue encore aujourd’hui à équiper de conteuses climatisations des maison très mal isolées

Enfin, on peut passer facilement de lambda, caractéristique du matériaux, à la résistance thermique R de l’écran thermique par la formule R = épaisseur /lambda. Cela signifie que plus l’isolant est épais, plus il sera performant. C’est même exactement proportionnel : un isolant deux fois plus épais sera deux fois plus performant. Cette valeur de R est très importante, c’est elle que l’on retrouve dans toutes les réglementations thermique des constructions neuves ou en rénovation. C’est cette valeur de R qui va déterminer votre facture énergétique…

Pour finir, un petit exercice pratique :

Le métabolisme d’un individu au repos, sans mouvement, libère une puissance thermique de 50 W. Supposons alors un individu, seul, assis sur une chaise au milieu d’une pièce (sans ouvertures pour simplifier) de 16 m carré de surface et de 2,5 m de hauteur. Dehors il fait 0°, dedans il n’y aucun chauffage ni aucune source de chaleur, à part la chaleur corporelle de l’individu. Sur ces 6 faces, cette pièce est isolée par une couche de laine de roche standard du commerce (lambda = 0,04).

Question : quelle est l’épaisseur d’isolant nécessaire pour que la température intérieure soit de 20° C, la chaleur étant uniquement produite par l’individu au repos ?

Solution :

puissance thermique évacuée = (lambda x surface totale des 6 faces x différence de température) / épaisseur isolant

50 = (0,04 . 72 . 20) / épaisseur

e = 1,15 mètre.

Avec un peu plus de 1 mètre d’isolant, aucun chauffage n’est nécessaire, avec une seule personne au repos à l’intérieur.

La morale de l’affaire, c’est qu’il faudra penser à isoler sa maison avant d’investir dans des systèmes de chauffage (ou de climatisation) coûteux et compliqués…

Partager l'article
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Vous pouvez recevoir gratuitement le dossier "25 conseils..." en complément de votre visite.