TP nº18 L’isolation thermique Document 1 : Modes de transfert thermique Le transfert thermique peut se faire selon trois modes : la conduction, la convection et le rayonnement. – La conduction correspond à un transfert d’énergie par contact direct entre les particules d’un corps dont les différentes parties ne sont pas isothermes. L’énergie des particules se communique alors de proche en proche. – La convection est un transfert d’énergie provoqué par le mouvement d’ensemble d’un fluide (liquide ou gaz) ; il peut être naturel ou forcé. – Le transfert thermique par rayonnement s’opère par émission ou absorption d’ondes électromagnétiques (visibles ou non). Il n’y a pas nécessité de contact entre les deux systèmes échangeant de l’énergie, ce mode de transfert peut donc s’effectuer dans le vide. Figure 1 – Illustration des différents modes de transfert thermique Document 2 : Isoler est une nécessité Figure 2 – Perte de chaleur d’une maison individuelle non isolée L’isolation vous permet de réduire les déperditions à travers les parois de votre habitation. Les besoins en chauffage sont diminués et votre facture allégée. En été, l’isolation fait barrière à la chaleur et au rayonnement solaire extérieur. Terminale S – Sciences physiques – Enseignement spécifique – Chapitre XIV 1/3 TP nº18 Les parois non isolées, comme les murs et les fenêtres, sont froides par « contact » avec l’air extérieur et provoquent des sensations d’inconfort (de façon similaire, les parois non isolées sont chaudes pendant la saison estivale). Document 3 : Bien choisir les produits d’isolation Un isolant a pour but de conserver la chaleur à l’intérieur du bâtiment, il doit donc être un mauvais conducteur de chaleur. Le coefficient de conductivité thermique d’un corps, noté λ et s’exprimant en W · m−1 · K−1 , caractérise l’aptitude à transmettre ou non la chaleur pour un matériau donné. Plus la valeur de λ est faible, plus le matériau est isolant. Un isolant est caractérisé le plus souvent par sa résistance thermique surfacique Rth exprimée en m2 · K · W−1 . Plus cette valeur est importante plus le matériau sera isolant. On rencontre aussi la résistance thermique (sans le « surfacique ») exprimée en K · W−1 , rapport de la résistance surfacique à la surface de la paroi isolante. Matériau Béton plein Béton armé Béton cellulaire Paille Bois de sapin Laine minérale Plaque de plâtre λ (W · m−1 · K−1 ) 1,7 2,2 0,14 0,05 0,14 0,04 0,25 Tableau 1 – Conductivité thermique de quelques matériaux utilisés dans la construction 88 cm 52 cm 39 cm 28 cm 7 cm 6 cm 2 cm béton plein parpaing creux pisé brique pleine bois résineux béton de chanvre liège, panneau de cellulose, laine minérale, etc. Figure 3 – Épaisseurs de différents matériaux pour une même résistance thermique 1 Transferts thermiques dans le bâtiment a) Citer un exemple de la vie quotidienne pour chaque mode de transfert thermique. b) D’après les documents présentés, préciser les modes de transferts d’énergie mis en jeu lors des déperditions énergétiques vers l’extérieur dans une maison non isolée. On dispose de trois cristallisoirs, l’un contient de l’eau froide, le deuxième contient de l’eau tiède et le troisième de l’eau chaude. Tremper la main gauche dans l’eau froide et la main droite dans l’eau chaude pendant une minute environ puis tremper les deux mains dans le cristallisoir d’eau tiède. c) Noter les observations effectuées. d) Interpréter les résultats en précisant notamment dans quel sens se réalise un transfert énergétique et à quel moment celui-ci cesse. L’être humain est-il sensible à la température extérieure comme on le croit généralement ou au flux d’énergie entre le corps et l’extérieur ? e) En s’appuyant sur les documents, montrer que les échanges énergétiques dans une maison se déroulent dans le même sens que celui décrit à la question d). 2 Choix d’un isolant thermique a) Qu’est ce qu’un isolant thermique ? b) Deux objets, l’un de métal et l’autre de bois, sont placés dans la même pièce depuis longtemps ; ils sont à la même température. L’objet en métal parait plus froid au toucher que l’autre en bois. Proposez une interprétation. Terminale S – Sciences physiques – Enseignement spécifique – Chapitre XIV 2/3 TP nº18 c) Exprimer la résistance thermique surfacique Rth en fonction de l’épaisseur e du matériau et de sa conductivité thermique λ. d) À l’aide des données du tableau 1 et de la figure 3, retrouver l’épaisseur de béton plein présentant les mêmes performances en terme d’isolation thermique que 2 cm de laine minérale. Rédiger une argumentation concernant la phrase suivante, extraite d’une brochure sur l’isolation thermique : « Les matériaux lourds de maçonnerie ne constituent jamais une isolation acceptable. » 3 Application à l’isolation d’un grenier Soucieux de réduire ses dépenses de chauffage, le propriétaire d’une habitation souhaite améliorer son isolation thermique. Sa maison possédant un grenier non chauffé, il décide d’en isoler le sol. Données : – Température du grenier : ϑ1 = 5,0 °C ; – Température de la maison : ϑ2 = 20,0 °C ; – Surface du sol du grenier : S = 80 m2 ; – Résistance thermique du sol du grenier : R = 7,5 × 10−3 K · W−1 . a) Dans quel sens s’effectuera le transfert thermique dans la maison ? b) Le flux thermique (en watt) correspond à une énergie thermique transférée à travers une paroi par unité de temps. Si ∆T est l’écart de température de part et d’autre de la paroi, le flux thermique à travers cette paroi est exprimé par la relation suivante : ∆T R avec R la résistance thermique de la paroi en K · W−1 . ϕ= Calculer le flux thermique ϕ à travers le sol du grenier. Le propriétaire consulte de nombreuses documentations sur l’isolation thermique. Il existe de nombreux matériaux isolants caractérisés par leur conductivité thermique notée λ. c) Utiliser le tableau suivant pour conseiller le propriétaire dans son choix de matériau. Justifier. Nom du matériau Laine de roche Polystyrène extrudé Liège naturel expansé Cellulose λ (W · m−1 · K−1 ) 0,035 0,033 0,042 0,039 d) La résistance thermique totale du sol du grenier doit atteindre la valeur R = 6,3 × 10−2 K · W−1 . Sachant que lorsque plusieurs parois sont accolées, la résistance thermique totale est égale à la somme des résistances thermiques de chaque paroi, calculer la résistance thermique de l’isolant choisi précédemment par le propriétaire. Le propriétaire a lu que la résistance thermique d’une paroi plane dépend de la conductivité thermique λ du matériau constituant la paroi, de son épaisseur e et de la surface S traversée par le flux thermique. e) À partir des informations ci-dessus, donner l’expression de la résistance thermique d’une paroi plane à partir d’une analyse dimensionnelle. f) Tous les matériaux proposés dans le tableau s’achètent sous forme de panneaux rigides dans le commerce. Quelle épaisseur minimale doit posséder le panneau du matériau choisi par le propriétaire ? Terminale S – Sciences physiques – Enseignement spécifique – Chapitre XIV 3/3