A quoi sert un isolant ?

Vous avez dit isolant ?

Laine de mouton isolant

Lorsqu’on isole un logement, que se passe-t-il ? Quel type d’isolant est plus pertinent pour ma maison ? Où se trouvent les limites de ces matériaux ? Quelle est la propriété ultime qu’un isolant puisse avoir. Cette question du chauffage est elle résolue tout simplement en mettant une bonne grosse couche d’isolant ?

L’isolant n’est rien de plus qu’un matériau comme un autre. Pourtant ces dernières dizaines d’années, il est passé de l’état de parfait inconnu à la star de la rénovation énergétique des bâtiments, soit disant, il pouvait tout régler.

Tous les matériaux que l’on retrouve dans la nature possèdent des caractéristiques physiques qui leur sont propres. On parle par exemple de propriétés mécaniques lorsqu’il s’agit d’une résistance aux impacts. On parle d’une tenue dans le temps ou de résistance des matériaux. De propriétés acoustiques, lorsqu’il s’agit de transmission sonore liée au bruit de choc ou aéraulique. Mais on parle de propriétés thermiques lorsqu’on évoque les phénomènes énergétiques qui en découlent. 

Re-visitons d’un point de vu purement énergétique ces quelques notions de base sur ces matériaux qu’on appelle “les isolants”.

L’analyse systémique à plusieurs niveaux

Beaucoup de questions dont certaines trouvent leurs réponses dans l’analyse correcte des données d’un système qui le compose. Je reste persuadé que c’est bien dans la définition du système qu’il y a souvent des incohérences de compréhension. C’est d’ailleurs je pense, cette précision de la définition du système étudié qui différencie l’expert, d’un amateur.

Mais le constat majeur qu’on puisse faire de la mise en œuvre de l’isolation dans les bâtiments par exemple est tout simplement sont point de départ. Pourquoi avons-nous commencé à isoler les bâtiments ?

Et la réponse est super simple, il s’agit simplement de limiter quelques consommations énergétiques.

Alors, dans l’analyse du système on pourrait pousser ce raisonnement à un niveau inférieur, en nous observant nous même. Et on pourrais se demander pourquoi avons-nous commencé à nous habiller ?

Et la réponse serait similaire, il s’agit simplement d’éviter quelques consommations énergétiques négatives ou positives. S’il vous arrive d’avoir trop froid, alors il est possible que vous ne soyez pas suffisamment isolé. Et s’il vous arrive d’avoir trop chaud, alors vous êtes probablement trop couvert.

Analyse systèmique d'un isolant

Dit comme ça, ça semble simple comme bonjour ! On peut ajouter que ces phénomènes peuvent se calculer où du moins peuvent s’estimer numériquement. Cependant, l’aspect aléatoire de l’humain rends la chose bien plus compliqué que ça n’y parait. Lorsqu’on parle de confort, ça dépend forcément de chacun.

Mais alors, peut-on réfléchir à un raisonnement d’un niveau supérieur au bâtiment ? Probablement que non, au-dessus d’une toiture, il y a l’atmosphère et la voûte céleste. En quelque sorte, la carcasse un peu floue de notre navette spatiale voguant dans le vide de l’univers. Ainsi, le bâtiment est aussi soumis à d’autres facteurs dont cette chose plus ou moins prévisible qu’on appelle le climat.

Taquiner la conductivité thermique

La principale caractéristique que l’on étudie lorsqu’on regarde un isolant est cette conductivité thermique. C’est cette capacité que possède un élément quelconque à retenir ou à ralentir la diffusion de la chaleur en son sein. Cependant, cette valeur ne s’arrête pas simplement à un isolant, puisque tous les éléments de la classification périodique des éléments en possèdent une. Ainsi, les composés chimiques dérivés et les molécules qui en découlent la possède également (le métal, le bois, le verre, le plastique…).

Lorsqu’on parle de transfert énergétique, ce que l’on cherche à faire est de transporter ou de conduire la quantité énergétique au sein d’un élément. À partir d’un objet étudié, ce qui nous préoccupe ici, c’est l’effet plus ou moins conducteur de chaleur dont dispose le matériaux. Si on regarde les transporteurs de courant électrique, nous pouvons faire une analogie similaire avec la conductivité électrique. Néanmoins, ici c’est l’électricité que l’on cherche à transporter.

Cables électriques non isolant

Du côté matériel, nous pouvons bien sûr évoquer les pâtes thermiques appliquées entre un processeur d’ordinateur et son dissipateur thermique. Le but ici, c’est qu’elle possède la plus haute valeur afin de diffuser rapidement la chaleur vers le dissipateur. Mais dans le cadre d’un isolant thermique, nous recherchons la valeur de conductivité thermique la plus faible. Cela de façon à retenir la chaleur pour réduire les consommations énergétiques.

La conductivité thermique désigne un flux énergétique par unité de longueur et par degré d’écart. Cela veut donc signifier que pour un matériau distinct, il faut connaître l’épaisseur constituant ce matériau pour en déduire la densité de flux qu’il peut diffuser. Ainsi, on parlera de résistance thermique qui exprime une densité de flux énergétique traversant l’ensemble du matériau définit. Elle s’exprimera donc par unité de surface et par degré d’écart.

Titiller la masse volumique

Pour nous, les humains, il est préférable d’évoquer le terme d’indice de masse corporelle (IMC), mais ça fonctionne un peu de la même façon. Vous et moi possédons une certaine masse définit dans un certain volume. Ainsi, le rapport entre les deux est ce que l’on détermine comme la masse volumique. Cette masse se définit par unité de volume en mètre cube. Pour chaque élément présent sur terre, nous connaissons cette propriété.

En connaissant donc le volume précis qu’occupe n’importe quelle pièce d’un système, puis le matériau qui le compose. Avec la masse volumique associée, nous pouvons donc retrouver sa masse totale.

Les grands navigateurs ont une habitude assez courante en course au large : le matossage. Comme le roi Jean le démontre, cette pratique consiste à déplacer au vent des cargaisons de matériel pour équilibrer un voilier. Ainsi plus, l’équipement sera lourds, meilleurs sera son efficacité. On parle aussi de ballast, ce sont des caissons spécifiques permettant le remplissage par de l’eau de mer optimisant ainsi la navigation.

Lorsqu’on évoque cette variable dans les bâtiments, nous pouvons évoquer bien sur les isolants cellulosiques ou bio sourcés qui possèdent généralement une masse volumique plus importante que leurs cousins les isolants minéraux. Quand on parle d’énergie, cette grandeur ne doit pas être confondue avec la capacité de chaleur qu’elle soit massique ou volumique.

Apprécier la capacité de chaleur massique

Justement, avec la capacité thermique, nous commençons à rentrer dans des notions un peu plus complexes. Elles comprennent des notions temporelles qui donnent, je pense, une difficulté de représentation dans l’esprit.

Aussi appelée chaleur spécifique, cette grandeur est liée à la capacité que possède le matériau à accumuler de la chaleur dans le temps par unité de masse. Cela traduit donc une estimation de la quantité énergétique à apporter où à soustraire sur un matériaux lorsqu’on élève où que l’on baisse sa température.

Si on compare un volume d’eau avec un volume d’air, la quantité énergétique pour élever les deux volumes d’un même écart de température sera donc différente, car les deux volumes considérés n’ont pas la même capacité thermique.

Cependant, il n’y a pas de relation directe entre la masse volumique et la chaleur massique, tout dépend du matériau considéré.

thé chaud
TEA TIME

On peut avoir un matériau avec une capacité thermique élevé et une masse faible, c’est le cas du lithium (masse de 530 kg/m3 cp 3 582 J/kg.K). Comme on peut avoir un matériau avec une capacité faible et une masse élevée comme c’est le cas pour le cuivre (masse 8300 kg/m3 et cp 380 J/kg.K).

Dans le cas des isolants, ce ratio est également exprimé. Les isolants cellulosiques sont en général plus lourds que leurs cousins minéraux et donc possèdes des propriétés supérieures de ce point de vue.

Jauger la capacité de chaleur volumique

Aussi appelée chaleur volumique, elle est liée à la capacité que possède le matériau à accumuler de la chaleur dans le temps rapportée à son volume. C’est le produit de la masse volumique avec la chaleur massique.

Elle joue un rôle prépondérant dans les phénomènes énergétique lorsqu’on parle de stockage de l’énergie dans les bâtiments. Car, plus la chaleur volumique d’un composant sera importante, plus il aura tendance à stocker de la chaleur. Or, plus une énergie se retrouve stockée dans un matériau, plus elle permettra une diffusion dans le temps. Ce que l’on recherche en général, c’est du déphasage thermique temporel de manière à décaler les effets néfastes à des moments plus adaptés.

La capacité de chaleur volumique a donc un impact non-négligeable dans les phénomènes de surchauffe, puisqu’en augmentant cette valeur nous atténuons les effets de pic. En quelque sorte, les effets dynamiques que subissent les réactions de températures intérieures d’un local se retrouvent alors écrasés.

Mais doit-on mettre plus de volume où plus de la masse ? À capacité thermique volumique égale, c’est la masse volumique qui reste le paramètre prépondérant dans un phénomène dynamique. Car c’est la relation de proportionnalité liée à l’épaisseur du produit qui entre en jeu. C’est donc pour cela que l’on parle plutôt d’inertie.

Eprouvette graduée

Affinage avec l'effusivité et la diffusivité

Avec ces deux nouveaux paramètres, nous avons affaire à d’autres phénomènes énergétiques souvent mal connus, mais qui rentre encore dans des phénomènes d’inertie.

L’effusivité concerne surtout les échanges de chaleur radiatifs entre les parois où avec l’environnement. Quand on parle d’effusivité, j’aime évoquer ce célèbre exemple, celui de la rambarde d’escalier constituée de deux matériaux différents, des barreaux en métal et une rampe en bois. Ces éléments sont pourtant à la même température puisqu’ils sont plongés dans la même ambiance d’une pièce. Mais lorsque l’on pose la main et que l’on compare les deux éléments, alors nous avons la sensation que la barre de métal semble plus froid que la rampe en bois. Le bois est ressenti comme une matière plus chaude mais en réalité, c’est bien le flux de chaleur émis de notre main qui à plus de mal à pénétrer dans ce matériaux.

Cette grandeur ne doit pas être confondue avec la diffusivité thermique, mais les deux facteurs sont liés puisqu’il s’agit d’interaction énergétique avec le milieu. L’effusivité exprime une quantité d’énergie traversant une surface par degré d’écart dans le temps.

La diffusivité s’exprime en unité de surface dans le temps. Physiquement, c’est la capacité que possède le système à imposer sa température à un autre. On étudie en quelque sorte la profondeur de pénétration du signal de température de deux constituants en contact.

Ainsi, lorsque vous placez votre doit sur un glaçon, il a tendance à fondre sur la partie où vous placez votre doigt. Plus vous restez longtemps, plus votre doit se rafraîchît également et donc le phénomène se ralentit ou à tendance à s’équilibrer.

De la même façon, lorsque votre peau entre en contact avec une casserole bien chaude, la température élevée à tendance à pénétrer à l’intérieur de votre peau et à vous brûler. Mais rassurer vous, vos réflexes sont là pour éviter ce genre de situation…

Le couplage à la diffusion de vapeur

Lorsque l’on parle d’isolant, il y a des phénomènes de diffusion de vapeur qui apparaissent.

Toujours, c’est constant. Notre atmosphère est aussi composé d’eau sous forme gazeuse, c’est ainsi.

De part et d’autre d’une séparation entre deux ambiances différentes à des températures différentes et possédant des taux d’humidité différents. Il y a des phénomènes de condensation qui se forme (sujet très intéressant et je pense que nous y reviendrons).

Vitre condensation

A l’interface d’un isolant, il y a des températures différentes côté chaud, où côté froids, sans un traitement adéquat, de l’eau peut donc se former à l’intérieur même de la parois. Et lorsqu’il y a de l’eau dans une paroi, en général ce n’est pas bon puisqu’elle a tendance à s’infiltrer partout et dégrade donc les performances des composants.

Ainsi, pour connaitre les caractéristiques physiques de la circulation de l’eau dans une paroi, nous utilisons ce paramètre de diffusion de vapeur. Il s’agit d’une grandeur de pénétration de l’eau dans le matériau (en mètre).

On parle de valeur Sd et pour ralentir ou stopper la migration de vapeur, nous utilisons donc des pares-vapeur. Il s’agit de films souvent composés de polymères spécifiques permettant ou non la migration de vapeur de manière correct pour limiter la formation d’eau dans la paroi.

Pour dimensionner de manière correct un pare vapeur sur une paroi, il faut se questionner sur les pressions de vapeur à saturation par rapport aux pressions relative de l’humidité dans l’air, mais ça c’est un tout autre sujet.

A quoi sert un isolant ?

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