Qu’ont en commun les bouteilles de bière en verre, les bouteilles en acier inoxydable et les poils d’ours polaires ?
Oui, ce sont tous de grands isolants, mais la raison pour laquelle ils le sont peut vous surprendre !
Qu’est-ce que l’isolation ?
Pour apprendre ce qui fait un grand isolant, voyons d’abord ce qu’est exactement l’isolation. Il existe de nombreux types d’isolation – thermique, sonore, électrique, etc. Pour nos besoins, nous allons parler d’isolation thermique, qui réduit le transfert de chaleur entre les objets, soit en réfléchissant le rayonnement thermique, soit en diminuant la conduction et la convection thermiques d’un objet à l’autre (nous y reviendrons dans un instant). En termes de base, l’isolation thermique est ce qui permet de garder votre café chaud dans une tasse isolante et vos mains chaudes dans des gants.
Types de transfert de chaleur
Une idée fausse courante est que l’isolation empêche le froid d’entrer, alors qu’en fait la fonction de l’isolation est de réduire le transfert de chaleur, ce qui signifie qu’elle garde la chaleur à l’intérieur. L’énergie thermique sera transférée vers des objets voisins de température plus basse, ce que vous pouvez sentir se produire lorsque du café chaud est versé dans votre tasse à café, à moins que le transfert ne soit ralenti ou arrêté par un isolant thermique.
Pour comprendre ce qui fait un excellent isolant thermique, vous devrez comprendre les trois méthodes de transfert de chaleur : Conduction, Convection et Radiation.
Conduction : Le processus par lequel la chaleur est transférée d’une zone de plus grande énergie cinétique (température plus élevée) à une zone de plus faible énergie cinétique (température plus basse), par exemple en touchant une poignée chaude. Se produit par contact physique et constitue la forme la plus courante de transfert de chaleur.
Convection : Le processus par lequel un gaz ou un liquide est chauffé et s’éloigne de la source, par exemple, sentir l’air chaud au-dessus d’une casserole en ébullition.
Radiation : Le processus de transfert de chaleur par des ondes électromagnétiques, par exemple la chaleur du soleil.
Isolants thermiques
Le travail d’un isolant thermique est de réduire le transfert de chaleur – soit en gardant l’objet visé chaud ou froid. Un excellent exemple d’isolant thermique est la bouteille d’eau en acier inoxydable, qui garde les boissons froides au frais et les boissons chaudes au chaud – le tout dans le même dispositif ! Mais voici ce qui laisse perplexe : l’acier inoxydable n’est pas un bon isolant thermique – en fait, c’est un meilleur conducteur.
Superior Glove s’est entretenu avec Paul Faucher, ingénieur principal chez NOVO Engineering, pour faire toute la lumière sur ce mystère.
« La bouteille d’eau en acier inoxydable est un exemple tellement intéressant parce que beaucoup de gens ne réalisent pas que ce n’est pas l’acier inoxydable qui assure l’isolation – c’est le vide », a expliqué Paul Faucher. « La bouteille en acier inoxydable est en fait constituée de deux bouteilles, l’une sur l’autre, avec un petit espace entre les deux. Cet espace est vide d’air et crée en fait un vide – c’est ce vide qui fournit l’isolation. »
Faucher a poursuivi en expliquant que le vide est l’un des isolants les plus connus, mais que l’air lui-même est également un excellent isolant et un contributeur principal aux propriétés isolantes d’articles tels que les gants de cuisine et l’isolation en fibre de verre. Ce sont les poches d’air à l’intérieur de ces matériaux qui ralentissent le transfert de chaleur bien plus que les matériaux eux-mêmes.
« La NASA utilise en fait les poches d’air pour empêcher les navettes spatiales de brûler lors de leur rentrée sur Terre. »
Isolants thermiques pour tissus
Lorsqu’il s’agit d’isolants thermiques pour tissus, la lutte pour les fabricants a toujours été la taille contre l’efficacité. Plus le gant ou le vêtement est volumineux, meilleures sont les propriétés isolantes, mais plus il est inconfortable pour la personne qui le porte.
« L’isolation pour vos vêtements fonctionne à peu près de la même manière que pour votre maison – un tissu isolant est tissé avec beaucoup d’espace pour l’air. L’utilisation de tissus creux et leur tissage lâche est la meilleure façon d’isoler les vêtements, mais un peu comme pour l’isolation de la maison, cela crée un matériau volumineux qui n’est pas toujours pratique pour le porteur « , explique Adam Bahret, propriétaire et ingénieur principal d’Apex Ridge, une société de conseil en ingénierie de fiabilité des produits.
« Des éléments comme le verre et la céramique font des isolants fantastiques lorsqu’ils sont décomposés en fibres et tissés dans un tissu », explique Bahret. « L’un des plus grands défis pour les tissus isolants conçus pour garder l’énergie thermique est de savoir comment produire ces propriétés isolantes sans masse massive. Des tissus comme le Thinsulate® ont réussi à surmonter ce défi en offrant une grande isolation dans un tissu fin. »
L’une des formes d’isolation les plus créatives, mais aussi les plus efficaces, que Bahret ait rencontrées concerne une manière ingénieuse d’isoler les maisons dans les pays du tiers monde. L’idée est incroyablement simple mais fonctionne extrêmement bien. Des bouteilles de bière en verre sont utilisées pour construire un mur et maintenues ensemble par du mortier. Le creux et la forme ronde des bouteilles en font d’excellents isolants thermiques, tandis que la transparence des bouteilles laisse passer la lumière naturelle. Cela constitue un moyen fonctionnel et rentable de construire une maison isolée.
L’avenir de l’isolation
À quoi ressemblera l’isolation à l’avenir ? Va-t-on découvrir de nouveaux matériaux qui changeront radicalement la façon dont les vêtements isolants sont fabriqués et portés ? Paul Faucher le pense.
En fait, Faucher pense que l’avenir de l’isolation est déjà là – c’est juste trop cher.
« À l’avenir, je pense que vous verrez de nouveaux isolants en microtubes et micro-sphères basés sur la technologie utilisée pour fabriquer des nanotubes de carbone (microtubes). Ceux-ci seront utilisés pour fournir les propriétés isolantes souhaitées dans des tissus minces et portables, des films et même des pièces moulées », prédit M. Faucher.
« Les microtubes sont microscopiques et constituent d’excellents isolants en raison de leur creux, qui emprisonne l’air. Ils fonctionnent beaucoup comme les plumes de duvet, qui sont également creuses, pour isoler l’énergie thermique. Comme le savent tous ceux qui possèdent une doudoune, les propriétés isolantes sont excellentes. Les microtubes poussent cette isolation un peu plus loin, étant donné leur taille microscopique, ce qui permet de réduire l’encombrement et d’améliorer les capacités de rétention de la chaleur. »
Le prix de la technologie des microtubes la rend encore peu pratique pour les consommateurs. Au fur et à mesure que le prix baisse, il pense que nous verrons de plus en plus de cette technologie employée dans les tissus isolants.
Un gant microtube est-il en préparation pour Superior Glove ? Il faudra attendre pour le savoir !
L’énigme de la bouteille en verre, de la bouteille en acier inoxydable et des poils d’ours polaire
Nous sommes enfin revenus à notre énigme initiale : qu’ont en commun tous ces objets qui en font de si bons isolants ? Si vous avez lu l’article et n’avez pas sauté directement au bas de l’article, alors vous savez déjà que c’est le creux des deux bouteilles qui leur confère leurs propriétés isolantes supérieures. L’air, mauvais conducteur et bon isolant, est piégé dans le creux de la bouteille en verre, tandis que les bouteilles en acier inoxydable vont plus loin en créant un vide pour ralentir l’énergie thermique.
Mais qu’en est-il du poil d’ours polaire ?
Similaire aux plumes de duvet, le poil d’ours polaire est en fait creux. Ce centre creux emprisonne l’air et isole l’ours polaire du froid extrême de l’Arctique. Cela doit être la raison pour laquelle ils ont toujours l’air si heureux dans le froid glacial !
Vous cherchez des gants pour garder vos mains joliment isolées cet hiver ? Consultez notre gamme de gants d’hiver !
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Merci à Paul Faucher de NOVO Engineering et à Adam Bahret d’Apex Ridge pour leur contribution à cet article.
Paul Faucher est ingénieur principal chez NOVO Engineering, une société de conseil qui fournit des services complets d’ingénierie de développement de matériel et de logiciels, de la conception à la fabrication pilote. Faucher a une formation polyvalente en génie mécanique et en physique. Il a obtenu son BSME à l’université d’État de San Diego et a plus de 25 ans d’expérience en ingénierie.
novoengineering.com
Adam Bahret est le fondateur, propriétaire et ingénieur principal d’Apex Ridge, une société de conseil en ingénierie spécialisée dans l’ingénierie de la fiabilité pour le développement de produits avec des clients tels que Google, Boeing, Amazon Robotics et Hyundai. Bahret est un expert en fiabilité des systèmes mécaniques et électriques avec plus de 20 ans d’expérience dans le développement de produits. Il a obtenu son MS en génie mécanique à l’Université Northeastern et est un ingénieur en fiabilité certifié au niveau national par l’ASQ ainsi qu’un membre de l’IEEE.
www.apexridge.com
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