Chapitre 11 — Transferts thermiques et équilibre thermique
Menuiserie • Agencement • Ameublement
Dernière mise à jour : 24 avril 2026
Convention du chapitre — anticipation du programme de Première
Le programme de Seconde demande pour ce thème un traitement qualitatif : équilibre thermique entre deux corps en contact, sens des échanges, énergie exprimée en joules.
Les trois modes de transfert, la relation \(Q = m \cdot c \cdot \Delta T\), le flux et la résistance thermique relèvent de la classe de Première (et de la co-intervention).
Ils sont assumés ici par anticipation, car l'isolation thermique est au cœur des métiers du bâtiment préparés. En évaluation certificative de Seconde, seules les notions qualitatives du programme sont exigibles.
Comprendre la notion de transfert thermique et d’équilibre thermique.
Identifier et distinguer les trois modes de transfert thermique.
Définir le flux thermique \(\Phi\) et la résistance thermique \(R_{th}\).
Calculer le flux à travers un matériau et relier cela à l’isolation des menuiseries.
Situation professionnelle — Isolation d'une menuiserie extérieure
Un installateur d'agencement pose une fenêtre en bois double vitrage et doit calculer le flux thermique qui traverse l'ensemble vitrage + encadrement bois, en comparant les résistances thermiques des matériaux pour valider la conformité de la menuiserie aux normes d'isolation.
1. Le transfert thermique
Définition
Un transfert thermique (ou « transfert de chaleur ») est un échange d’énergie entre deux corps possédant des températures différentes.
Ce transfert se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid, jusqu’à ce que les deux corps atteignent la même température.
Équilibre thermique
Deux corps sont en équilibre thermique lorsqu’ils ont atteint la même température : le transfert thermique net s’annule alors.
Exemples en atelier
Un outil de fraisage sort de l’usinage à 120 °C et se refroidit progressivement en transférant de la chaleur vers l’air de l’atelier (20 °C) jusqu’à l’équilibre.
Un atelier froid en hiver : le chauffage transfère de la chaleur vers les murs et l’extérieur. Plus les murs isolent, moins le transfert est rapide et moins on consomme d’énergie.
Attention au vocabulaire
En physique, on ne dit pas « le froid entre » mais « la chaleur sort ». L’énergie thermique est transférée toujours du chaud vers le froid.
2. Les trois modes de transfert thermique
▬
Conduction
Par contact direct, d’atome à atome, sans déplacement de matière. Efficace dans les solides, surtout les métaux.
↑
Convection
Par déplacement d’un fluide (liquide ou gaz) qui transporte l’énergie thermique. Naturelle ou forcée.
☀
Rayonnement
Par ondes électromagnétiques (infrarouge), sans milieu matériel nécessaire. Tout corps au-dessus de 0 K rayonne.
Schéma récapitulatif des trois modes de transfert thermique : conduction (mur solide), convection (air montant), rayonnement (ondes sinusoïdales).
2.1 La conduction
Principe
La chaleur se propage de proche en proche par contact entre atomes ou molécules voisines : les particules les plus agitées (côté chaud) transmettent une partie de leur énergie aux particules moins agitées (côté froid).
Très efficace dans les métaux (bons conducteurs : acier, aluminium, cuivre).
Faible dans les isolants (bois, laine de verre, polystyrène).
Exemples
Le manche d’un ciseau à bois métallique chauffe au contact de la main après une longue utilisation.
La poignée en bois d’un marteau chauffe bien moins que si elle était en acier.
Chaleur transmise d’un tuyau de colle chauffant vers le pistolet.
2.2 La convection
Principe
La chaleur est transportée par le déplacement macroscopique d’un fluide (gaz ou liquide) qui emporte l’énergie thermique avec lui.
Convection forcée : un ventilateur ou une pompe accélère ce mouvement.
Exemples en atelier
Chauffage de l’atelier par convecteur : l’air chauffé au contact du radiateur monte et se répartit dans la pièce.
Séchage du bois en étuve : des ventilateurs assurent une convection forcée pour homogénéiser la température et accélérer l’évaporation de l’eau.
2.3 Le rayonnement
Principe
Tout corps à une température supérieure à 0 K émet des ondes électromagnétiques (principalement dans l’infrarouge à température ordinaire). Ce transfert ne nécessite aucun milieu matériel (il fonctionne dans le vide).
Exemples
Chaleur ressentie du soleil : l’énergie solaire traverse le vide de l’espace par rayonnement.
Lampe infrarouge pour le séchage de peinture : en carrosserie ou finition de meubles, les lampes IR réchauffent la pièce sans contact.
Un corps humain dans un atelier froid perd de la chaleur par rayonnement vers les parois froides.
3. Le flux thermique
Définition
Le flux thermique \(\Phi\) (phi) est la puissance du transfert thermique : c’est la quantité d’énergie thermique transférée par unité de temps.
\( \Phi = \dfrac{Q}{t} \)
\(\Phi\) : flux thermique en Watts (W) —
\(Q\) : énergie thermique échangée en Joules (J) —
\(t\) : durée en secondes (s)
Plus le flux \(\Phi\) est grand, plus le transfert est rapide. Un bon isolant thermique réduit fortement \(\Phi\).
Exemple
Une paroi laisse passer 3 600 J de chaleur en 1 heure.
\[ \Phi = \frac{3\,600}{3\,600} = \mathbf{1\,\text{W}} \]
C’est un transfert très faible, caractéristique d’une bonne isolation.
Animation — Équilibre thermique
Deux blocs à des températures différentes échangent de la chaleur et convergent vers une température d’équilibre commune.
Les températures convergent exponentiellement vers l’équilibre (loi de Newton du refroidissement).
4. La résistance thermique
Définition
La résistance thermique \(R_{th}\) caractérise la capacité d’un matériau à s’opposer au transfert thermique par conduction. Plus \(R_{th}\) est grand, plus le matériau isole bien.
Pour un mur plan d’épaisseur \(e\), de surface \(S\) et de conductivité thermique \(\lambda\) :
Le flux traversant ce mur en régime permanent est :
\( \Phi = \dfrac{\Delta T}{R_{th}} \)
\(\Delta T = T_{\text{chaud}} - T_{\text{froid}}\) en Kelvin (ou °C) —
\(\Phi\) en Watts
Analogie électrique
\(R_{th}\) joue pour la chaleur le même rôle que la résistance électrique \(R\) pour le courant : on peut écrire \(\Phi = \Delta T / R_{th}\) comme on écrit \(I = U / R\) (loi d’Ohm).
Attention — portée du modèle
Dans ce chapitre, \(R_{th}\) désigne la résistance thermique d'une paroi pour une surface \(S\) donnée. La formule \(R_{th} = e/(\lambda S)\) modélise un transfert par conduction à travers une paroi homogène, en régime permanent (températures constantes dans le temps). Elle ne prend pas en compte les échanges avec l'air ni la géométrie complexe d'une paroi réelle.
Application
Un panneau de bois de pin (\(\lambda = 0{,}12\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\)) de 18 mm d'épaisseur constitue un vantail de porte de surface 1,8 m².
Calculer la résistance thermique \(R_{th}\) de ce panneau.
Calculer le flux thermique \(\Phi\) qui le traverse si la différence de température entre les deux faces est de 15 °C.
Ce panneau laisse passer environ 181 W de chaleur en régime permanent.
Application
On veut fabriquer un panneau isolant de 40 mm d'épaisseur et de 2 m² de surface.
Comparer la résistance thermique d'un panneau en polystyrène expansé (\(\lambda = 0{,}035\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\)) et d'un panneau en bois de pin (\(\lambda = 0{,}12\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\)) de mêmes dimensions.
Calculer \(R_{th}\) pour chaque matériau.
Quel matériau isole le mieux ? Quel est le rapport des résistances ?
b. Le polystyrène isole mieux (plus grande \(R_{th}\)). Le rapport est :
\[ \frac{R_{th}^{PS}}{R_{th}^{pin}} \approx \frac{0{,}57}{0{,}17} \approx 3{,}4 \]
Le polystyrène isole environ 3,4 fois mieux que le bois de pin à épaisseur égale.
Application
Un panneau de laine de verre (\(\lambda = 0{,}04\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\), épaisseur 100 mm, surface 10 m²) isole le toit d'un atelier.
La température intérieure est 18 °C et la température extérieure est −2 °C.
Calculer \(R_{th}\) de l'isolation.
Calculer le flux thermique \(\Phi\) qui s'échappe par le toit.
b. \(\Delta T = 18 - (-2) = 20\,\text{K}\)
\[ \Phi = \frac{20}{0{,}25} = \mathbf{80\,\text{W}} \]
c. En 1 heure : \(t = 3\,600\,\text{s}\)
\[ Q = \Phi \times t = 80 \times 3\,600 = 288\,000\,\text{J} = \mathbf{288\,\text{kJ}} \]
Application
Une fenêtre simple vitrage a les caractéristiques suivantes :
épaisseur de la vitre \(e = 6\,\text{mm} = 0{,}006\,\text{m}\),
conductivité thermique du verre \(\lambda = 1{,}0\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\),
surface \(S = 1{,}5\,\text{m}^2\).
On considère une journée d'hiver où la température intérieure est maintenue à 19 °C
et la température extérieure est de −1 °C.
⚠ Modèle simplifié : on ne prend ici en compte que la conduction à travers la vitre seule, sans les échanges avec l'air. Les valeurs obtenues surestiment les pertes réelles d'une fenêtre.
Calculer la résistance thermique \(R_{th}\) de la vitre.
En déduire le flux thermique \(\Phi\) qui traverse cette vitre selon ce modèle.
Calculer l'énergie totale \(Q\) correspondante en une journée complète (24 heures). Donner le résultat en kWh et en MJ.
En pratique, un double vitrage argon possède un coefficient global \(U \approx 1{,}4\,\text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-1}\) et un simple vitrage \(U \approx 5{,}8\,\text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-1}\). En utilisant la formule \(\Phi = U \times S \times \Delta T\), calculer le flux réel de chaque vitrage et comparer.
Ce résultat, très élevé, illustre la limite du modèle : il ne tient compte que de la conduction pure dans le verre, sans les résistances d'échange avec l'air des deux côtés.
En kWh : \(Q = 5\,\text{kW} \times 24\,\text{h} = \mathbf{120\,\text{kWh}}\)
d. Comparaison réaliste avec le coefficient U :
\[ \Phi_{\text{SV}} = U_{\text{SV}} \times S \times \Delta T = 5{,}8 \times 1{,}5 \times 20 = \mathbf{174\,\text{W}} \]
\[ \Phi_{\text{DV}} = U_{\text{DV}} \times S \times \Delta T = 1{,}4 \times 1{,}5 \times 20 = \mathbf{42\,\text{W}} \]
Le double vitrage réduit fortement les déperditions (ici environ 4 fois moins). Ces valeurs réalistes sont bien plus faibles que le modèle simplifié, car le coefficient U inclut les échanges avec l'air et la structure complète de la fenêtre.
5. Conductivités thermiques de matériaux de menuiserie
Matériau
\(\lambda\) (W·m−1·K−1)
Catégorie
Air (immobile)
0,025
Isolant
Polystyrène expansé
0,035
Isolant
Laine de verre
0,04
Isolant
Bois de pin
0,12
Isolant naturel
Bois de chêne
0,17
Isolant naturel
Verre
1
Peu isolant
Acier
50
Conducteur
Aluminium
230
Très conducteur
Bois = bon isolant naturel
Avec \(\lambda \approx 0{,}12\text{–}0{,}17\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\), le bois est un bon isolant naturel : il est nettement plus isolant que le verre ou les métaux usuels (acier, aluminium). À épaisseur égale, le bois isole environ 6 à 8 fois mieux que le verre et plusieurs centaines de fois mieux que l’acier.
Comparaison numérique
Pour une paroi de 4 cm d’épaisseur et 1 m² de surface, comparer la résistance thermique du bois de pin et de l’acier :
\[
R_{th}^{\text{pin}} = \frac{0{,}04}{0{,}12 \times 1} \approx 0{,}33\,\text{K/W}
\qquad
R_{th}^{\text{acier}} = \frac{0{,}04}{50 \times 1} = 8 \times 10^{-4}\,\text{K/W}
\]
La résistance du bois de pin est environ 400 fois plus grande que celle de l’acier : le bois isole beaucoup mieux.
Comparaison des conductivités thermiques λ (W·m−1·K−1) — échelle logarithmique
Les valeurs de λ s’étalent sur 4 décades : de l’air (0,025) à l’aluminium (230). L’échelle logarithmique permet de toutes les visualiser.
6. Applications à l’isolation en atelier de menuiserie
6.1 Fenêtres et portes : bois vs aluminium vs PVC
Le choix du matériau de cadre influence fortement les déperditions thermiques :
Cadre PVC : bon isolant (\(\lambda \approx 0{,}17\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\)), peu coûteux, peu de maintenance.
Cadre aluminium brut : mauvais isolant (\(\lambda = 230\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\)) sauf avec une rupture de pont thermique.
6.2 Vitrage : simple, double et triple vitrage
Un double vitrage est composé de deux vitres séparées par une lame de gaz (argon ou air).
La lame d’argon, très peu conductrice (\(\lambda_{\text{argon}} \approx 0{,}017\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\)), améliore fortement l’isolation thermique par rapport à un simple vitrage.
Le triple vitrage ajoute une troisième vitre pour encore mieux isoler, dans le cadre des exigences actuelles de performance énergétique des bâtiments (RE2020).
6.3 Calcul du flux à travers une fenêtre — coefficient U
En pratique, on caractérise la performance thermique d’une fenêtre par son coefficient global de transmission thermique \(U\) (en W·m−2·K−1). Ce coefficient tient compte de la conduction dans les matériaux, des échanges avec l’air et de la structure complète de la menuiserie.
\( \Phi = U \times S \times \Delta T \)
\(U\) : coefficient global (W·m−2·K−1) —
\(S\) : surface (m²) —
\(\Delta T\) : écart de température (K ou °C)
Type de vitrage
\(U\) typique (W·m−2·K−1)
Simple vitrage
≈ 5,8
Double vitrage air
≈ 2,9
Double vitrage argon
≈ 1,4
Triple vitrage
≈ 0,7 – 1,0
Exemple appliqué
Une fenêtre de surface \(S = 1{,}2\,\text{m}^2\), avec \(\Delta T = 20\,\text{K}\) (atelier à 20 °C, extérieur à 0 °C).
Simple vitrage (\(U = 5{,}8\,\text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-1}\)) :
\[ \Phi_{\text{SV}} = 5{,}8 \times 1{,}2 \times 20 = \mathbf{139\,\text{W}} \]
Double vitrage argon (\(U = 1{,}4\,\text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-1}\)) :
\[ \Phi_{\text{DV}} = 1{,}4 \times 1{,}2 \times 20 = \mathbf{34\,\text{W}} \]
Le double vitrage argon réduit fortement les déperditions par rapport au simple vitrage (ici environ 4 fois moins).
Limite du modèle
Dans ce chapitre, on utilise des modèles simplifiés pour comprendre les transferts thermiques. Dans une situation réelle, les déperditions d’une fenêtre dépendent aussi du cadre, des lames d’air ou de gaz, des échanges avec l’air intérieur et extérieur, de la ventilation et de la structure complète de la menuiserie. Le coefficient \(U\) intègre l’ensemble de ces effets.
7. Tableau de synthèse
Grandeur
Symbole
Unité
Formule
Signification
Flux thermique
\(\Phi\)
Watt (W)
\(\Phi = Q/t\)
Puissance du transfert thermique
Résistance thermique
\(R_{th}\)
K/W
\(R_{th} = e/(\lambda S)\)
Opposition au transfert thermique
Conductivité thermique
\(\lambda\)
W·m−1·K−1
—
Propriété intrinsèque du matériau
Différence de température
\(\Delta T\)
K (ou °C)
\(\Delta T = T_c - T_f\)
« Force motrice » du transfert
Loi de Fourier (régime permanent) : \(\Phi = \Delta T / R_{th}\)
8. À retenir
5 points clés
Le transfert thermique se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid jusqu’à l’équilibre thermique.
Les trois modes sont : conduction (solides, contact), convection (fluides, déplacement) et rayonnement (ondes électromagnétiques, sans milieu).
Le flux thermique \(\Phi\) (en W) est la puissance échangée : \(\Phi = Q/t\).
La résistance thermique \(R_{th} = e/(\lambda S)\) mesure la capacité à isoler. Grand \(R_{th}\) = bon isolant.
Le bois est un bon isolant naturel (\(\lambda \approx 0{,}12\,\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}\)), nettement plus isolant que le verre ou les métaux usuels. Il est bien adapté aux menuiseries, en cohérence avec les exigences de la RE2020.