Vers une explication

A) Pré-requis

Dans cette partie nous allons définir quelques notions indispensables, à savoir la température, le transfert thermique et la conductivité thermique afin de formuler une hypothèse sur l’origine de l’isolation thermique des matériaux.

La température :

La température est mesurée par l'agitation thermique. L'agitation thermique correspond à l'agitation des molécules qui composent un système. En effet, les molécules qui composent un système matériel ne sont jamais au repos elles sont toujours en mouvement. Plus l’agitation est grande, plus la température est élevée. A l’inverse, plus l’agitation est faible, plus la température est basse. Ainsi, la température est une fonction croissante du degré d’agitation thermique des molécules.

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Le transfert thermique :

Le transfert thermique correspond à un transfert d’énergie entre deux corps en contact. Si les deux corps sont à la même température, on dit qu’ils sont en équilibre thermique, il n’y donc pas de transfert thermique. En revanche, si la température diffère d’un corps à l’autre, le corps le plus chaud cède de l’énergie au corps le plus froid, il y a ainsi un transfert thermique. Il existe trois modes de transfert :
- Par conduction, c’est-à-dire par contact entre deux corps solides
- Par rayonnement (=radiation)
- Par convection, c’est-à-dire par contact entre un fluide et un solide. Il existe deux types de propagation par convection : libre et forcée.

Dans notre cas, on a à faire à un mode de propagation par convection libre. La différence d’agitation thermique entre le solide et le fluide provoque un transfert thermique. C’est ce même transfert thermique qui provoque le mouvement de convection des molécules constituant le solide. Dans le cas d’une convection forcée, c’est le mouvement de ces molécules (provoquer par une projection mécanique de celles-ci) qui provoque le transfert thermique.




La conductivité thermique:

La conductivité thermique désigne la capacité d’un matériau à conduire la chaleur. Elle représente la quantité de chaleur transférée par unité de temps. Inversement, la résistance thermique est la capacité d’un matériau à ne pas laisser passer la chaleur.

On peut procéder à une analogie avec l’électricité pour ce qui est de la conductivité électrique et de la résistance électrique. Ainsi plus la conductivité est faible, plus le matériau est isolant.

Par analogie, le matériau peut être comparé à une passoire qui laisse passer une certaine quantité d’éléments par unité de temps (ce qui représente la conductivité) et en retient une partie (représentant la résistance).

Enfin, la conductivité thermique dépend de la nature du matériau et de sa température. De plus, un matériau humide est plus conducteur de chaleur qu’un matériau sec et les métaux se trouvent être de bon conducteur thermique.

B) Hypothèse sur l’explication des matériaux tester

Nous avons observé que l’aluminium possède une bonne isolation thermique alors que nous avons trouvé que sa conductivité thermique est de 237 W.K^-1.m^-1. Ainsi nous nous sommes demandés pourquoi un matériau qui a une conductivité thermique importante possède une bonne isolation thermique. Lors de notre test de l’isolation de l’aluminium nous avons recouvert notre boite de boules d’aluminium froissé qui avait emprisonné de l’air. Or nous savons que l’air possède une mauvaise conductivité thermique (0.024 W.K^-1.m^-1), ce qui en en fait un bon isolant, et qu’il se forme dans l’air (qui est un fluide) des mouvements de convection qui augmentent grandement le transfert thermique.
De plus, le matériau possédant la meilleure isolation thermique, à savoir le liège, est expansé ce qui signifie qu’il contient de l’air. Ces deux cas nous amènent à penser que certains matériaux tirent leur isolation thermique de la présence de petites bulles d’air emprisonnées dans leur structure et que cette air emprisonnée ne pourrait se mouvoir à cause de la petite taille de ces bulles. En outre, certains matériaux comme le torchis, possèdent une isolation correcte alors qu’il possède peu de bulles d’air. Ceci nous amène à penser que la présence de bulles d’air n’est pas la seule explication de la conductivité d’un matériau.

Ainsi nous pouvons formuler l’hypothèse suivante :

Les matériaux tirent, en partie, leur isolation thermique de la présence de petites bulles d’air dans leur structure.