Comment marche un isolant (thermique!)?

[EspritTordu]

Bonjour,

Une simple question qui me turlupine : j'ai bien trouvé quelques explications, mais cela reste assez vague à mes yeux.

-Pourquoi un isolant thermique isole-t-il?

-On dit ici ou là, que c'est sa capacité à faiblement propagé les ondes mécaniques des particules incidentes (pour les transferts avec matière)?

Une astuce souvent employé est de cloisonné des cellules d'air comme pour le plumage des oiseaux, le double vitrage (http://fr.wikipedia.org/wiki/Double_vitrage) ou bien aussi les laines isolantes (http://energie-limite.e-monsite.com/...nt,273831.html) comme la laine de verre avec des fibres de verre, ou bien la laine de roche avec des fibres de basalte...
-Pourquoi des cloisonnements de petites tailles sont plus efficaces que des grandes tailles?
-Pourquoi des fibres (2 dimensions) et non pas des impuretés sphériques (3 dimensions, comme pour la surfusion :http://fr.wikipedia.org/wiki/Surfusion)?
-Est-ce juste de penser que ces fibres jouent le même rôle que les tiges d'acier d'un béton ferraillé, c'est-à-dire propager spatialement une vibration locale, ce qui permet de localement limité l'incidence de la vibration dans le matériau fragile (au sens mécanique)?
-Peut-on penser que la vibration incidente des particules chaudes sur le réseau de particule de l'isolant est "amortie" (annulée) par l'onde résiduelle de ces fibres?

-Peut-on dire, qu'à une température fixe et un gaz fixe chauffé donc, correspond une fréquence moyenne par surface de contacts mécaniques (de particules) avec le matériau au contact du gaz? L'isolant ne réduit-il pas cette fréquence?


Merci d'avance pour vos éclaircissements!
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[EspritTordu]

Ne faut-il pas de l'énergie (ou quelque chose comme cela...) pour stopper l'excitation des particules incidentes? Qui fournit cela, les atomes des fibres?
L'isolant fonctionne parce qu'on mélange un gaz (l'air) et un solide (les fibres)?

[Jeanpaul]

Là on parle d'isolation en présence d'air. La conduction par l'air consiste à transmettre la chaleur par collisions entre atomes voisins, c'est un process désordonné et passablement inefficace. La façon efficace de transmettre de la chaleur dans l'air est la convection : un mouvement d'ensemble de l'air qui porte la chaleur d'un bout à l'autre. Dans un four ménager, ça s'appellerait la chaleur tournante mais ce n'est pas un langage de physicien.
Pour isoler, on va essayer de supprimer ces courants d'ensemble par des moyens mécaniques (cloisonnements). Dans un double vitrage, il existe un optimum de séparation : si c'est trop proche, la conduction se fait et si c'est trop loin, ça permet des tourbillons par thermosiphon (l'air chaud monte).
La laine de verre fonctionne ainsi : les petites cellules empêchent les mouvements et la chaleur ne peut que difficilement se propager par le verre (ça fait une trop grande distance à parcourir d'une face à l'autre).
Un des problèmes, c'est d'éviter que la laine de verre se remplisse d'eau ou de poussière car alors ça n'isole plus.

[EspritTordu]

Je vois, je me faisais une mauvaise idée. S'il s'agit de se concentrer sur la convection plutôt que la conduction thermique, cela devient plus clair.
Je suis surpris que les laines de verre, soient si efficaces en jouant sur la convection (que je pensais être seulement utile à très grande échelle ; Des trois transferts thermiques définis, à savoir, la conduction, la convection et le rayonnement, on peut donc les classer selon l'efficacité suivant la convection, la conduction et le rayonnement?).
-Est-ce-juste néanmoins de penser que la conduction thermique de la laine contribue faire passer la chaleur, comme perte résiduelle (ou est-elle complétement négligeable?)?

La laine de verre fonctionne ainsi : les petites cellules empêchent les mouvements et la chaleur ne peut que difficilement se propager par le verre (ça fait une trop grande distance à parcourir d'une face à l'autre)

Que voulez-vous dire s'il vous plaît?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Jeanpaul]

Le dernier message concernait la conduction thermique de la laine de verre qui ne doit pas être négligeable car la laine doit être assez serrée pour se tenir et ne pas trop vite s'effriter. Je n'ai pas de chiffres.

[sitalgo]

B'soir,

Que voulez-vous dire s'il vous plaît?

Dans la laine de verre on a de l'air de conductivité thermique 0,026, les fibres empêchent beaucoup la convection de l'air (mais on ne peux pas l'empêcher complètement, la laine est très poreuse et du type cellule ouverte).
On remarque que les fibres sont globalement orientées parallèlement aux faces du produit, ce qui fait que la conduction par le verre suit un parcours en zig-zag qui allonge considérablement le trajet. Si les fibres étaient perpendiculaires aux faces, cela créerait autant de ponts thermiques, or le verre est plus mauvais isolant (1,2) que le béton (0,9).
Finalement on arrive à une valeur de 0,04 W/m.K bien plus proche de l'air que du verre.

[EspritTordu]

C'est étrange n s'ennuie avec de la laine de verre pour avoir une conductivité thermique finale moindre que l'air lui-même? Ou s'agit-il d'une conductivité thermique statique de l'air?

Finalement, la laine de verre joue un peu le rôle d'une turbine noyée dans une circulation convective : la turbine sollicitée à un travail mécanique freine la convection. Dans la laine de verre la turbine est jouée par les fibres, qui aussi nombreuses, sont comme des turbines montées en séries? Le travail mécanique des fibres se résume alors aux forces atomiques de leur matériau? A condition que ces mouvements atomiques ne dissipent pas plus de chaleur par conduction, non?

[sitalgo]

C'est étrange n s'ennuie avec de la laine de verre pour avoir une conductivité thermique finale moindre que l'air lui-même?

C'est souvent comme ça, quand on a du gris clair il y a peu de chance de l'éclaircir en le mélangeant avec du gris foncé. Le résultat sera entre les deux.

conductivité thermique statique de l'air?

Scientifiquement, c'est un pléonasme.

Finalement, la laine de verre joue un peu le rôle d'une turbine noyée dans une circulation convective : la turbine sollicitée à un travail mécanique freine la convection. Dans la laine de verre la turbine est jouée par les fibres, qui aussi nombreuses, sont comme des turbines montées en séries? Le travail mécanique des fibres se résume alors aux forces atomiques de leur matériau?

Je dirais plus simplement que les fibres constituent des obstacles à contourner, elles ne fournissent pas de travail mais tout au plus constituent une réserve d'énergie potentielle élastique d'une négligeabilité considérable.

A condition que ces mouvements atomiques ne dissipent pas plus de chaleur par conduction, non?

saisis pas.

[EspritTordu]

Cela ne doit pas être simple de mesurer expérimentalement la conductivité thermique de l'air alors, il faut éviter la convection sans pour autant que les moyens mis en œuvre pour cela ne viennent altérer eux-même le résultat final?

Je me trompais, effectivement, les fibres elle-même ne fournissent pas de travail, donc elle ne sont pas susceptibles d'émettre par là de la chaleur.

Dans la laine de verre on a de l'air de conductivité thermique 0,026, les fibres empêchent beaucoup la convection de l'air (mais on ne peux pas l'empêcher complètement, la laine est très poreuse et du type cellule ouverte)

Des cellules fermées seraient donc meilleures pour stopper la convection, mais augmenteraient aussi la conduction? Existe-t-il cependant des de tels isolants?

Les isolants cellulaires luttant contre la convection, sont-ils les meilleures structures d'isolation thermique?

Pourquoi un solide amorphe comme le verre est-il plus isolant pour un transfert thermique de conduction, qu'un autre solide?

[EspritTordu]

N'est-il pas envisageable d'utiliser des structures "fragiles" comme les cristaux piézoélectriques comme isolants thermiques et générateurs électriques : chacunes des contraintes de vibration transmises jusqu'à ces structures produisent une tension électrique dont on peut usage selon sa volonté ; et absorbant la chaleur comme un "isolant" classique?

[sitalgo]

Cela ne doit pas être simple de mesurer expérimentalement la conductivité thermique de l'air

Je pense aussi.

Des cellules fermées seraient donc meilleures pour stopper la convection, mais augmenteraient aussi la conduction? Existe-t-il cependant des de tels isolants?

Le polyuréthane expansé, meilleur que le polystyrène ou la laine de verre. Produit courant qu'on utilise pour faire des panneaux sandwich, comme isolant pour les cumulus, chambres froides (en plaque).
Le meilleur isolant est l'aérogel (à partir de silice mais il y en a d'autres) 10 fois plus que la laine de verre, masse volumique de quelques kg/m3.

Pourquoi un solide amorphe comme le verre est-il plus isolant pour un transfert thermique de conduction, qu'un autre solide?

Je laisse la parole à quelqu'un, ça doit être une histoire de phonons. On peut déjà dire que la silice n'est pas le meilleur conducteur.

[sitalgo]

N'est-il pas envisageable d'utiliser des structures "fragiles" comme les cristaux piézoélectriques comme isolants thermiques et générateurs électriques : chacunes des contraintes de vibration transmises jusqu'à ces structures produisent une tension électrique dont on peut usage selon sa volonté ; et absorbant la chaleur comme un "isolant" classique?

Sans aller chercher tout ça, on peut imaginer une cellule photovoltaïque qui fonctionne dans l'infrarouge sur une bande large.

[EspritTordu]

Mais le résultat est pitoyable, non? Le rayonnement étant difficile à solliciter en masse au contraire des méthodes matérielles de transfert de chaleur?

Dans http://fr.wikipedia.org/wiki/Aerogel :

L'aérogel en carbone est un bon isolant de radiations, car le carbone absorbe les rayonnements infrarouges qui transfèrent la chaleur

C'est surprenant, qu'est-ce que l'atome de carbone en fait de la chaleur absorbée?

[sitalgo]

C'est surprenant, qu'est-ce que l'atome de carbone en fait de la chaleur absorbée?

C'est une phrase en trop, ça arrive dans wiki. A moins qu'il y ait une subtilité qui m'échappe.