La conduction thermique dans une maison

Le transfert de chaleur par conduction thermique

s La conduction thermique est le deuxième mode de transfert de la chaleur, différent de la convection thermique. Dans la convection, les molécules se déplacent; dans la conduction, les molécules ne se déplacent pas, mais communiquent leur chaleur à leurs voisines. La chaleur étant la manifestation de l'agitation moléculaire, les molécules chaudes sont plus agitées. Lorsqu'elles bousculent leurs voisines, elles leur communiquent leur agitation et donc leur chaleur. Dans les matières à l'état solide, la convection n'est pas possible. Par contre, la conduction s'applique à tous les états de la matière : solide, liquide et gazeux. Car dans chacun de ces états, les molécules peuvent se heurter. Pour rappel, il n'y a pas de déplacement du froid, seule la chaleur se déplace de la zone la plus chaude vers la zone la plus froide.

s Cela ressemble un peu aux voyageurs dans les bus ou les trains aux heures de pointe, pour aller au travail. Quand un voyageur devient agité et bouscule tout le monde, les autres voyageurs font la même chose.

La conduction thermique dans une maison

s Nous allons expérimenter la conduction thermique dans une maison, comme tu pourras le voir sur l'écran de l'animation. Il y a deux zones d'échange de chaleur :

  • les murs de la maison. La chaleur se déplacera donc de l'intérieur de la maison vers l'extérieur
  • le serpentin du chauffage. La chaleur se déplacera du serpentin vers l'intérieur de la maison

s Donc, si j'ai bien compris, la chaleur va passer du chauffage vers la maison, puis vers l'extérieur.

s Pour pouvoir réaliser quatre expériences, il te faudra utiliser un chronomètre pour mesurer la vitesse de transfert de la chaleur et voici quelques instructions pour le panneau de contrôle.

Pour allumer et éteindre le chauffage :

  • clique sur t++ pour l'allumer
  • clique sur t== pour l'éteindre

Pour sélectionner une épaisseur de mur :

  • clique sur 15 cm pour une petite épaisseur de 15 cm
  • clique sur 30 cm pour une grande épaisseur de 30 cm

Pour sélectionner une matière de mur :

  • clique sur A pour du béton
  • clique sur B pour du bois

Pour sélectionner une surface de conduction pour le chauffage :

  • clique sur 1m2 pour une petite surface de 1m2
  • clique sur 2m2 pour une grande surface de 2m2

s Je n'ai pas de chronomètre, mais je vais utiliser ma montre à la place. Je suis prêt ! Par quoi allons-nous commencer ?

Première expérience : la vitesse de conduction dépend de la longueur ou de l'épaisseur

s Dans cette expérience nous comparons la conduction thermique selon l'épaisseur du mur ou encore la longueur de conduction. Sélectionne la grande surface de chauffe et le mur en bois. Chauffe au maximum la maison et éteint le chauffage. Chronomètre le temps de refroidissement de l'air intérieur entre 30°C et 10°C. Voici ce que j'obtiens :

Epaisseur du murTemps de refroidissement entre 30 et 10°C
15 cm110 secondes
30 cm55 secondes

s La vitesse de conduction thermique étant une quantité de chaleur Q par unité de temps t sera exprimée ainsi :

  • Q / t

s Nous pouvons en déduire, que la vitesse de refroidissement et donc la vitesse de conduction thermique est inversement proportionnelle à la longueur L à traverser.

  • Q / t = k / L

s C'est une loi facile à comprendre. L'hiver quand il fait froid, si j'augmente le nombre de couches de vêtements, je vais me refroidir moins vite.

Deuxième expérience : la vitesse de conduction dépend de la matière

s Dans cette expérience nous comparons la conduction thermique de deux matières : le béton et le bois. Sélectionne les murs les plus épais et le chauffage ayant la plus grande surface. Allume le chauffage, laisse la température monter jusqu'à 20°C, puis coupe le chauffage. Chronomètre le temps que mettra la température intérieure pour descendre jusqu'à 10°C. Voici ce que j'obtiens :

MatièreTemps de refroidissement de 20°C à 10°C
Béton10 secondes
Bois70 secondes

s La vitesse de refroidissement et donc la vitesse de conduction thermique est 7 fois plus rapide avec le béton que le bois. Le bois est donc un meilleur isolant thermique. La conduction est donc proportionnelle à un coefficient de conduction thermique qui dépend de la matière et que nous nommerons C.

  • Q / t = k . C

s Pour être bien isolé et bien au chaud dans une maison, il vaut donc mieux construire en bois qu'en béton ?! C'est alors curieux que la majorité des maisons soient construites en béton et pas en bois !!!

Troisième expérience : la vitesse de conduction dépend de la différence de températures

s Dans cette expérience nous comparons la conduction thermique selon la différence de températures. Sélectionne les murs les plus épais en bois et le chauffage ayant la plus grande surface. Allume le chauffage au maximum jusqu'au dépassement des 40°C. A ce moment arrête le chauffage et note le temps que va mettre la maison pour refroidir entre 40°C et 20°C, puis entre 20°C et 10°C, puis entre 10°C et 5°C. Voici ce que j'obtiens :

Intervalle de températureTemps de refroidissement
40°C à 20°C70 secondes
20°C à 10°C70 secondes
10°C à 5°C70 secondes

s La vitesse de refroidissement est divisée par deux quand l'écart de température entre l'intérieur et l'extérieur est divisé par deux. Nous pouvons donc en déduire que la vitesse de refroidissement et donc la conduction sont proportionnelles à la différence de température ΔT.

  • Q / t = k . ΔT

Quatrième expérience : la vitesse de conduction dépend de la surface

s Dans cette expérience nous comparons la conduction thermique du serpentin de chauffage selon sa surface. Sélectionne des murs épais en bois. Dès que le chauffage sera en fonctionnement, tu vas chronométrer le temps pour que la température monte de 0°C à 20°C selon que tu sélectionnes un chauffage de 1m2 ou de 2m2. Voici ce que j'obtiens :

Surface du chauffageTemps de chauffe de 0°C à 20°C
1m224 secondes
2m212 secondes

s Nous pouvons donc en déduire que la vitesse de chauffe et donc la vitesse de conduction thermique sont proportionnels à la surface d'échange S.

  • Q / t = k . S

s C'est pour cela qu'une petite maison se refroidit moins vite qu'une grande.

La formule de la conduction thermique

s En conclusion, des formules obtenues par les quatre expériences, nous pouvons déduire une formule générale pour la conduction thermique. La chaleur Q conduite pendant un temps t est :

  • Q / t = C . S . ΔT / L

Avec :

  • C la conductivité thermique du matériau
  • S la surface d'échange
  • ΔT la différence de températures
  • L la longueur ou l'épaisseur traversée