Printemps des sciences Faculté Polytechnique de Mons 11 mars 2008

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1 Printemps des sciences 2008 Faculté Polytechnique de Mons 11 mars 2008

2 Objectifs L objectif de cette petite démonstration est double : 1. Démontrer l importance d une bonne isolation thermique sur les performances énergétiques d un bâtiment. A cet effet, des blocs de glace de 2 kg ont été placés au même moment (en début de journée) dans des boîtes géométriquement identiques mais présentant 3 niveaux d'isolation différents : a. Boîte en mdf (matériau compact à base de bois) seul b. Boîte en mdf + 1 couche de 3 cm d isolant en polystyrène c. Boîte en mdf + 1 couche de 9 cm d isolant en polystyrène Les visiteurs sont invités à deviner quelle quantité de glace aura fondu dans chaque boîte à la fin de la journée! 2. Visualiser et mesurer la température des parois des boîtes réfrigérées à l aide d une caméra de thermographie infrarouge. Utiliser cette information pour identifier le niveau d isolation de chaque boîte. Objectif 1 : Pour comprendre Le niveau d isolation d une paroi dépend de 2 paramètres : Le matériau qui la compose : Certains matériaux conduisent moins bien la chaleur que d autres et les matériaux mauvais conducteurs sont appelés «isolants». Ils créent une sorte de «barrière» empêchant la chaleur d entrer (ou de sortir). Ils permettent ainsi d utiliser moins d énergie pour réchauffer un bâtiment en hiver ou, dans le cas des blocs de glace, pour conserver celle-ci à l état solide alors que l environnement est chaud. Ils contribuent donc à économiser l énergie, et, en conséquence, à préserver notre environnement. Le caractère plus ou moins bon conducteur d un matériau est mesuré par sa «conductibilité thermique», notée k (et exprimée en W/m/ C). Au plus la valeur de k est élevée, au plus le matériau est conducteur ; au plus elle est faible, meilleur est l isolant. Le polystyrène extrudé ou expansé (frigolite) est un très bon isolant car sa conductibilité thermique est faible : de l ordre de 0,035 W/m/ C, soit à peine plus que celle de l air (k=0,02 W/m/ C), qui est très isolant. A l inverse, le métal est le meilleur conducteur de la chaleur (on se brûle lorsqu on oublie sa cuiller dans un bol de soupe bouillante) : sa conductibilité thermique est 2000 fois supérieure à celle de l air et environ 1300 fois supérieure à celle du polystyrène. Parmi les matériaux de construction, le béton léger est environ 10 fois plus conducteur que le polystyrène et la brique environ 25 fois. La laine minérale qu on utilise pour isoler les toitures présente sensiblement les mêmes caractéristiques que le polystyrène. Page 2 sur 6

3 L épaisseur de ce matériau : En réalité, le caractère «plus ou moins bien isolant» d une paroi s obtient en divisant la valeur de la conductibilité thermique du matériau (k) par son épaisseur (notée «e» et k exprimée en m). On parle alors de coefficient K : K =. Comme pour le petit k, la e transmission de chaleur est moins bonne lorsque la valeur de K est faible : on comprend alors que, pour avoir un bon isolant, il faut une valeur de k faible et une épaisseur e importante. Les caractéristiques des parois des 3 boîtes utilisées sont les suivantes : Boîte MDF : Paroi Conductibilité Epaisseur Coefficient de transfert thermique de chaleur k [W/m /C] e [m] K [W/m²/ C] MDF 0,120 0,018 6,667 Page 3 sur 6

4 Boîte MDF + 3cm d isolant Paroi Conductibilité Epaisseur Coefficient de transfert thermique de chaleur k [W/m/ C] e [m] K [W/m²/ C] MDF 0,120 0,018 6,667 Isolant : XPS 0,035 0,030 1,17 Boîte MDF + 9cm d isolant Paroi Conductibilité Epaisseur Coefficient de transfert thermique de chaleur k [W/m /C] e [m] K [W/m²/ C] MDF 0,120 0,018 6,667 Isolant : XPS 0,035 0,090 0,39 Page 4 sur 6

5 Objectif 2 : Pour comprendre Le rayonnement thermique : Tous les corps à une température supérieure au niveau du «zéro absolu» (soit -273 C, 273 degrés en dessous de zéro!!) échangent de la chaleur sous forme de rayonnement thermique. Le rayonnement est une transmission de chaleur à distance : lorsque nous sentons la chaleur du soleil sur notre peau, par exemple, cette chaleur nous est transmise sous forme de rayonnement, à une très grande distance dans le cas du soleil. Ce que nous sentons lorsque nous sommes à proximité d un radiateur ou d un feu est un autre exemple de transmission de chaleur par rayonnement. En outre, le rayonnement émis par un objet peut être visible à l œil nu, lorsque cet objet est extrêmement chaud, ce qui est par exemple le cas du soleil, dont la lumière, visible pour l œil humain, est l image du rayonnement. Lorsque l objet est moins chaud, le rayonnement qu il émet change de nature (on dit qu il change de longueur d onde) et devient invisible pour l œil humain car il passe alors dans le domaine de l infrarouge. Le rayonnement infrarouge ne peut pas être perçu par l œil, mais bien par des détecteurs spéciaux (certaines télécommandes, par exemple, émettent des rayons infrarouges vers le téléviseur, qui est équipé d un détecteur adapté). Ainsi, on peut équiper des lunettes de ce genre de détecteurs afin de repérer une personne dans l obscurité complète, simplement grâce au rayonnement infrarouge qu elle émet. La caméra de thermographie (ou caméra thermique) que nous utilisons est équipée de détecteurs sensibles aux infrarouges et permet donc de capter le rayonnement d objet à températures relativement basses. Elle permet même d aller plus loin et de récolter une information plus précise. En effet, on a pu montrer que la quantité de chaleur émise par un objet par rayonnement (qu on appelle aussi «intensité») est directement liée à sa température : plus un corps est chaud et plus il émet de rayonnement. Par conséquent, si on peut comparer les niveaux de rayonnement émis par des objets différents, on peut estimer lequel est le plus chaud, sans devoir le toucher! C est ce que fait l ordinateur qui est couplé à la caméra : il traduit sous forme de couleurs (suivant une échelle choisie par l utilisateur) les différents niveaux d intensité qui proviennent des objets qui sont visés par la caméra et qui sont captés par les détecteurs. Cette échelle de couleurs correspond donc à une échelle de températures, grâce à laquelle on peut déterminer la température des objets visés. Alexandre, stagiaire en En parfaite santé comme le montre l échelle ( C) Page 5 sur 6

6 L émissivité des matériaux : Malheureusement, les choses ne sont pas aussi simples dans la relation qui lie l intensité de rayonnement émise par un objet et sa température. L expérience suivante le montre : on remplit d eau chaude deux récipients, l un métallique et l autre non ; on vérifie en y posant la main que la surface de ces deux récipients est chaude. Lorsqu on les observe à l aide de la caméra thermique, ils apparaissent très différents, alors qu ils sont en principe à la même température : le récipient métallique à «l air plus froid» que l autre! En réalité, bien qu à la même température, le récipient métallique émet moins de rayonnement que le second récipient car il est un «moins bon émetteur». Tout comme la conductibilité thermique traduisait le caractère «plus ou moins bon conducteur» d un matériau, l «émissivité» traduit le caractère «plus ou mois bon émetteur de rayonnement» de ce même matériau. Un matériau parfaitement émetteur aura une émissivité égale ou proche de 1 tandis qu un très mauvais émetteur aura une émissivité proche de zéro. La propriété inverse de l émissivité est le «coefficient de réflexion» : un matériau mauvais émetteur est un bon réflecteur, et inversement. Dans le cas du rayonnement infrarouge, c est l aspect de la surface qui conditionne la valeur de l émissivité : un matériau métallique lisse est un mauvais émetteur infrarouge (et donc un bon réflecteur), tandis qu un matériau d aspect mat ou rugueux est, à l inverse, un très bon émetteur infrarouge (et donc un mauvais réflecteur). La visualisation des carrés colorés sur la paroi de l une des boîtes illustre ces notions. Dans le cas de nos boîtes, la leçon à tirer de ceci est que, si vous voulons pouvoir comparer les températures des parois entre elles afin de localiser la boîte la plus isolée, il est absolument indispensable que toutes ces parois présentent la même émissivité! Il en va de même lorsqu on utilise une caméra thermique pour repérer les défauts d isolation d une toiture ou du mur d une habitation. Conclusions Avec toutes ces informations, vous êtes maintenant en mesure de : Mesurer la température d une paroi sans la toucher. Faire la différence entre une paroi «fortement émettrice» et «faiblement émettrice» pour le rayonnement infrarouge. Comprendre la différence entre un conducteur et un isolant thermiques. Comprendre qu il est important de bien isoler son habitation pour consommer moins d énergie. Il vous reste maintenant à retrouver quelle boîte se cache sous le numéro 1, 2 ou 3, et à deviner quelle quantité de glace aura fondu dans chacune d entre elles! Page 6 sur 6

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