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  • : Aborder les domaines de la physique enseignés en Math Sup. Donner sa place à des promenades littéraires. Rêver et sourire aussi (parfois même avant tout), parce que c'est tout bonnement bon et nécessaire :-)
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Bertran de Born

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6 mars 2009 5 06 /03 /mars /2009 20:51
Après cette première leçon introductive à la Thermodynamique, vous pouvez avoir quelques questions sur la notion spécifiquement thermodynamique qu’est la température. En voici une, des plus judicieuses, qui a pu venir à votre esprit méditant sur le principe d’équilibre thermique (principe zéro de la thermodynamique) :


Pourquoi le carrelage de ma salle de bains me paraît-il si froid quand je marche pieds nus ?

Je suppose que vous êtes à jour de vos factures de chauffage. L'explication est donc que la porcelaine conduit mieux la chaleur que votre confortable tapis de bain, bien qu'ils soient à la même température. Il est très courant de constater que certains objets sont plus froids au toucher que d'autres. On parle d'« acier froid » comme si la lame d'une épée était plus froide que le reste. Les boulangers aiment déposer la pâte de leurs viennoiseries sur une plaque de marbre parce qu'elle est « plus froide ». Touchez simplement la lame d'un couteau ou une plaque de marbre, et vous ne pourrez qu'être d'accord : ils semblent vraiment plus froids au toucher.
Mais ils ne sont pas plus froids. L'acier, le marbre et le carrelage sont exactement à la même température que tout le reste de la pièce. Ils ont juste l'air plus froids.
S'ils sont dans la même pièce depuis suffisamment longtemps, tous les objets sont à la même température que le reste de la pièce, car les températures s'harmonisent automatiquement. Le café chaud refroidit et la bière fraîche se réchauffe. Mettez une tasse de café chaud et un verre de bière fraîche côte à côte sur une table suffisamment longtemps, et ils finiront par être à la même température, celle de la pièce (mais vous penserez quand même que le café est « froid » et la bière « chaude », n'est-ce pas ?).
La raison en est que la chaleur migre spontanément du plus chaud au plus froid. C'est parce que les molécules d'un objet chaud bougent plus vite que les molécules d'un objet froid; voici ce qu'est la température : une mesure de la vitesse moyenne des molécules. Et donc, quand un objet chaud est en contact avec un objet froid, ses molécules plus rapides vont entrer en collision avec les molécules plus lentes et les accélérer — c'est-à-dire les chauffer.
Si un objet est plus froid que son entourage, la chaleur arrivera automatiquement vers lui jusqu'à ce que sa température soit la même que celle des environs. Ou, si un objet est plus chaud que son entourage, la chaleur s'écoulera automatiquement vers l'extérieur. Nous avons vu qu'on peut avoir une bonne idée de la situation en remplaçant la chaleur par de l'eau. L'eau s'écoule toujours de haut en bas, alors que la chaleur s'écoule toujours du plus chaud vers le plus froid [voir T4, à venir]. On pourrait même dire que la température se met à niveau.
Il n'y a pas que l'acier, le marbre et le carrelage qui vous paraîtront froids au toucher. La température de votre peau est d'environ 37 degrés Celsius, alors que tout dans votre pièce (à part peut-être le radiateur) est à la même température — environ 20 degrés. Et donc, lorsque vous touchez un objet de la pièce, il paraît froid sur votre peau, car il est vraiment plus froid que votre peau. La chaleur s’écoule donc de votre peau vers l’objet, et votre peau privée de chaleur vous donne une sensation de froid.
Mais, comme vous avez pu le réaliser avec désagrément, certaines choses sont plus froides que d'autres au toucher; le carrelage semble plus froid que le tapis de la salle de bains même si, nous l'avons vu, ils sont forcément à la même température. Comment cela se fait-il ?
La réponse est que, même si tous les objets de la pièce sont plus raids que votre peau, et lui prendront donc de la chaleur, certains matériaux sont de meilleurs voleurs de chaleur que d'autres. Certains matériaux sont de meilleurs conducteurs de chaleur — ils évacuent mieux la chaleur qu'ils ont prise. Et mieux un matériau conduit la chaleur qu'il vous a prise, plus il semblera froid sur votre peau. Il se trouve que la porcelaine du carrelage est un bien meilleur conducteur de chaleur que le coton ou les fibres synthétiques du tapis de la salle de bain, la chaleur s'écoule donc plus vite de vos petits petons quand ils sont sur le carrelage, et vous avez froid aux pieds.
Différentes substances, étant constituées de molécules aux propriétés différentes — et c'est bien sûr la raison pour laquelle ce sont des substances différentes — transmettent la chaleur avec des vitesses et des efficacités différentes.
Des molécules encombrantes ou solidement fixées à leur place ne peuvent pas bousculer leurs voisines aussi facilement, elles ne peuvent donc pas transmettre la chaleur aussi rapidement. C'est le cas par exemple pour le coton, le bois et le caoutchouc. Le parquet ne vous paraît pas aussi froid que le carrelage, n'est-ce pas ? C'est parce que les grosses molécules du bois ne prennent pas la chaleur à votre peau aussi vite que celles du carrelage.
Parmi tous les types de matériaux, les gaz sont les pires conducteurs de chaleur. Leurs molécules sont si éloignées qu'elles peuvent à peine se trouver pour entrer en collision. Presque tout conduit mieux la chaleur que l'air, et c'est pour cette raison que presque tout ce que vous touchez vous paraît un peu plus froid; vous le comparez avec l'air qui vous entoure habituellement et auquel vous êtes habitué. L'air vous isole.
Les métaux, par contre, sont les meilleurs conducteurs de chaleur de tous, grâce à leur structure unique. Ils contiennent des électrons libres qui peuvent facilement passer d'atome en atome. C'est la raison pour laquelle ils conduisent si bien l'électricité, mais c'est aussi la raison pour laquelle ils conduisent si bien la chaleur. Ces minuscules électrons peuvent transporter la chaleur d'un endroit à un autre de façon beaucoup plus efficace que des atomes ou des molécules gros et encombrants, car ils sont de loin plus mobiles. Étant les meilleurs voleurs de chaleur, les métaux seront les plus froids sur votre peau.
Les ingénieurs et les scientifiques ont mesuré la capacité de nombreux matériaux à conduire la chaleur (en jargon scientifique : leur conductivité thermique). Je vous donne ici, arrondies, les conductivités thermiques de quelques matériaux familiers comparées à celle de l'air, à laquelle j'ai arbitrairement donné la valeur 1. Plus vous descendez dans la liste, plus le matériau vous semblera froid quand il est à température ambiante.

  

Air 1 Granit 130
Caoutcouc 6 Acier inoxydable 600
Bois 6 Fer 3 300
Eau 24 Aluminium 9 500
Verre 30-40 Cuivre 16 000
Porcelaine 40 Argent 17 000
Marbre 70-120    
 Conductivité thermique de certains matériaux comparée à celle de l'air


La morale de cette histoire : ne recouvrez pas le sol de votre salle de bains avec de l'argent. Ni la lunette de vos toilettes.


Robert L. Wolke,
Ce qu’Einstein disait à son coiffeur,
Paris, Dunod, 2005, p . 89-93
einstein-coiffeur


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Published by Qadri Jean-Philippe - dans Thermodynamique
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