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Activité 10 – TP : comparer 4 isolants par refroidissement TP EXPÉRIMENTAL

Ch04 – Transferts thermiques | 1ère ERA-MA | ⏱ 1 h (TP) | Binôme

Dernière mise à jour : 31 mai 2026

Ce que tu vas apprendre :

🤔 Avant de commencer

Pourquoi un thermos garde-t-il un café chaud 8 h alors qu'une tasse en céramique le refroidit en 30 min ?

3 raisons combinées : (1) double paroi avec vide entre les 2 (pas de conduction d'air, pas de convection) ; (2) surface intérieure miroir (réfléchit le rayonnement IR du liquide chaud) ; (3) bouchon hermétique (pas d'évaporation). Conséquence : R thermique très élevé, perte < 5 °C par heure. Pour une céramique : perte 20-30 °C/h.

Objectif du TP

Comparer expérimentalement l'efficacité isolante de 4 matériaux courants en agencement, en mesurant la vitesse de refroidissement d'eau chaude placée dans 4 gobelets identiques entourés de matériaux différents.

🧰 Matériel

4 gobelets, 4 isolants A — PSE B — Laine bois C — Liège D — Carton

📖 Vocabulaire

Constante de temps τ
Temps pour que ΔT diminue de 63 %. τ ∝ masse × c / (h × S). Plus grand = meilleur isolant.
Loi de refroidissement de Newton
dT/dt = −(T − T_ext) / τ. Décroissance exponentielle. T(t) = T_ext + (T₀ − T_ext) × e^(−t/τ).
Conductivité λ
Caractéristique intrinsèque du matériau. PSE : 0,035. Laine bois : 0,040. Liège : 0,045. Carton : 0,07.

Protocole

  1. Verser 200 mL d'eau à 80 °C dans chaque gobelet.
  2. Plonger le thermomètre.
  3. Entourer chaque gobelet de son matériau (50 mm tout autour, ouverture haut couverte par 50 mm aussi).
  4. Noter T₀ et démarrer chrono.
  5. Relever T toutes les 5 min pendant 30 min.
  6. Tracer T(t) pour chaque matériau (sur même graphe).

Q1 APP — Tableau de mesures

t (min)A (PSE) T (°C)B (laine bois) T (°C)C (liège) T (°C)D (carton) T (°C)
080808080
5............
10............
15............
20............
25............
30............
t (min)A (PSE)B (laine)C (liège)D (carton)
080808080
576757469
1072706859
1568666352
2065625846
2561585441
3058545037

Le PSE garde mieux la chaleur (λ le plus bas), le carton est le moins efficace.

Q2 ANA

Classer les 4 matériaux du meilleur isolant au moins bon, d'après les mesures à t = 30 min.

Du meilleur au moins bon : A (PSE 58°C) > B (laine bois 54°C) > C (liège 50°C) > D (carton 37°C).

Conforme à l'ordre des conductivités : PSE 0,035 < laine bois 0,040 < liège 0,045 < carton 0,07.

Q3 REA

Tracer T(t) sur même graphe. Que constate-t-on sur la forme des courbes ?

Les 4 courbes sont des décroissances exponentielles qui tendent vers T_ext = 20 °C (asymptote horizontale).

Plus l'isolation est efficace, plus la pente initiale est faible et plus la courbe descend lentement.

Modèle théorique : T(t) = T_ext + (T₀ − T_ext) × exp(−t/τ).

Q4 ANA

Estimer τ (constante de temps) pour le matériau A. Méthode : t pour passer de 80 → (80 − 20) × 0,37 + 20 = 42 °C.

Pour le PSE : T = 42 °C atteint à... d'après le tableau, environ t = 90 min (extrapolation). Donc τ_A ≈ 90 min.

(En extrapolant l'exponentielle : 80°C × exp(−30/τ) + 20 = 58 → τ ≈ 92 min ✓.)

Q5 ANA

Comparer τ pour A et D (carton).

Pour carton D : 42 °C atteint vers t = 30 min déjà. τ_D ≈ 35 min.

Rapport : τ_A / τ_D ≈ 2,6. Le PSE conserve 2,6× mieux la chaleur que le carton.

Conforme au rapport des λ : 0,07 / 0,035 = 2,0 (proche de 2,6, écart dû à l'épaisseur effective réelle qui peut varier selon la compression).

Q6 ANA

Si on doublait l'épaisseur d'isolant (100 mm au lieu de 50 mm), comment évoluerait τ ?

R = e/λ → doubler e double R → τ proportionnel à R (à conditions identiques par ailleurs).

Donc τ devrait doubler. PSE 100 mm aurait τ ≈ 180 min au lieu de 90.

D'où l'intérêt en bâtiment d'épaissir l'isolation. Mais : encombrement, coût matière, dans certains cas mauvais retour sur investissement (loi des rendements décroissants au-delà de R 5-7).

Q7 VAL

Sources d'erreur du TP ?

  • Contact matériau-gobelet : couches d'air parasites qui altèrent la mesure.
  • Ouverture en haut : pertes par convection si mal isolée.
  • Position thermomètre : doit être au centre, pas en contact avec la paroi.
  • Température ambiante qui varie pendant 30 min.
  • Lecture thermomètre : ± 0,5 °C selon graduation.

Améliorations : couvercle isolé identique pour tous, sonde data-logger plus précise (± 0,1 °C).

Q8 COM — Compte-rendu (10 lignes)

TP — Comparaison 4 isolants — [Nom, Prénom, classe, date]
Objectif : classer 4 matériaux par leur capacité isolante via vitesse refroidissement eau.
Matériel : 4 gobelets, 4 thermomètres, eau 80 °C, PSE/laine bois/liège/carton (50 mm).
Protocole : mesure T toutes les 5 min pendant 30 min.
Résultats : à t = 30 min, T_PSE = 58 °C, T_laine = 54 °C, T_liège = 50 °C, T_carton = 37 °C.
Classement : PSE > laine de bois > liège > carton, conforme aux conductivités.
Modèle : décroissance exponentielle vers T_ext = 20 °C. τ_PSE ≈ 90 min, τ_carton ≈ 35 min.
Conclusion : Plus λ est petit, mieux le matériau isole. Confirmation expérimentale de la loi de Fourier de la conduction.

✅ Auto-évaluation

Bonus — Pourquoi le PSE est-il si efficace ?

Le polystyrène expansé est composé de 98 % d'air immobile piégé dans des cellules de polymère. L'air est l'un des meilleurs isolants connus (λ = 0,025 W/m·K, plus bas que le PSE !), mais il ne peut pas être utilisé pur car il bouge (convection).

Le PSE bloque la convection en piégeant l'air dans des micro-bulles. C'est aussi le principe de la laine de verre, de bois, du liège.

Inconvénients du PSE : pétrosourcé, peu écologique, inflammable (à compenser par retardateur de flamme). C'est pourquoi en menuiserie écologique, on préfère la laine de bois ou le liège.

À retenir

📚 TP de fin de chapitre Ch04.