L’essentiel de la conception passive se concentre sur la chaleur : comment on la capte, comment on la garde, l’accumule, on s’en protège et on l’évacue ? On répond à toutes ces questions essentiellement en s’appuyant sur les propriétés des matériaux de construction.
Il apparaît donc nécessaire de bien comprendre ce qu’est la chaleur et comment elle interagit avec les matériaux que nous allons utiliser.
Pour commencer, il faut nous replonger dans nos cours du collège ou du lycée pour descendre vers l’infiniment petit : les atomes ou les molécules.
Je ne suis pas physicien, donc pardonnez les quelques raccourcis que j’ose faire. Ils n’ont pour but que d’imager le comportement physique de la matière.
Le chaud et le froid n’existent pas en tant que tels. Ce sont juste des termes relatifs. Il existe une agitation moléculaire qu’on appelle la chaleur.
Souvenez-vous, la matière est constituée d’atomes plus ou moins lourds. C’est le numéro atomique du fameux tableau de Mendeleïev qui représente le nombre de neutrons et de protons d’un atome. Ces particules composent le noyau, et donc l’essentiel de la masse de l’atome, complété par des électrons de masse beaucoup plus faible et qui gravitent très loin autour du noyau.
Si un atome était représenté par une épingle au centre d’un terrain de football, les électrons graviteraient dans les tribunes. C’est-à-dire que la matière est constituée essentiellement de vide.
Ces atomes se lient entre eux et constituent des molécules qui sont :
Mais ces molécules ne sont pas inertes. Elles contiennent une certaine quantité d’énergie qui les fait s’agiter. Plus elles contiennent de l’énergie, plus elles s’agitent. Et c’est ça, la chaleur : la quantité d’énergie contenue dans la matière.
Elle va du zéro absolu (0 kelvin, ou environ -273°C) à plusieurs millions de kelvin.
Ces molécules en agitation vont échanger de l’énergie avec leur environnement :
Quelques applications :
Dans le premier cas, le rayonnement est dans le domaine visible. Dans le second cas, celui du feu, il est en partie visible, mais surtout infrarouge. On ne le voit pas, mais on ressent son rayonnement.
On comprend donc que la chaleur, étant une transmission d’agitation, se propage toujours du plus chaud vers le plus froid. Et les caractéristiques moléculaires des matériaux influencent leur comportement face à la chaleur.
Par exemple, pour une même densité :
Le second propagera plus facilement la chaleur, car il y a plus de molécules, donc plus facile à agiter.
Mais on ne peut rien en déduire quant à leur capacité à accumuler la chaleur. Cela dépend de la structure même de la matière.
La conductivité thermique, notée lambda (λ), s’exprime en watts par mètre-kelvin (W/m·K). Plus elle est faible, moins la chaleur se transmet dans le matériau s’il y a une différence de température entre les deux faces.
Exemples de lambda :
Un matériau peut également absorber une partie de la chaleur qui passe à travers lui : c’est sa capacité thermique. Elle est primordiale.
Exemple : en cuisine, un matériau qui accumule la chaleur va mieux saisir les aliments car il refroidit peu au contact d’un aliment froid. C’est le principe de la plancha, une plaque en métal épaisse, chauffée longtemps.
En construction, on distingue :
Elle se mesure en Wh/kg·K. C’est l’énergie que 1 kg de matériau peut stocker si on augmente sa température d’1 kelvin.
Classement des matériaux :
Plus pertinente en construction car on parle d’épaisseur (volume), et non de poids. C’est le produit de la capacité thermique massique par la densité du matériau.
Résultats :
Elle mesure la rapidité avec laquelle un matériau transmet les variations de température. Formule : λ / (capacité thermique × densité).
Plus la conductivité est grande et la capacité faible, plus le matériau est diffusif. Plus il est isolant et stocke la chaleur, plus il amortit les variations de température. On parle alors de déphasage thermique.
C’est la capacité d’un matériau à échanger de l’énergie avec son environnement. Formule : racine carrée de (λ × capacité thermique × densité).
Un matériau très effusif absorbe vite la chaleur… mais la relâche aussi vite.
Exemples de matériaux très effusifs : métal, béton, verre. Bois et isolants sont peu effusifs.
Conséquences :
Test : touchez un mur en pierre et un meuble en bois. Même température, mais la pierre absorbe votre chaleur, vous donnant une sensation de froid.
Exemple chiffré :
Un matériau effusif rayonne plus, donc sa température est perçue de plus loin.
Deux grandeurs physiques :
Deux grandeurs dynamiques :
Ces grandeurs permettent de mieux comprendre les transferts de chaleur, leur stockage et leur restitution. Elles sont essentielles dans la construction passive pour assurer le confort recherché.
Il n’y a pas de bons ou de mauvais matériaux. Il faut seulement les utiliser au bon endroit en profitant de leurs avantages.
Dans la vidéo suivante, nous nous appuierons sur ces propriétés pour affiner une notion pas très simple : l’inertie, et comment on la traite dans des structures légères comme les maisons à ossature bois, par exemple.
