✋ Pourquoi le métal paraît plus froid que le bois ?
Au petit matin, la poignée de porte en métal te glace la main, alors que la table en bois semble tiède… pourtant, elles sont à la même température ! Ta main n'est pas un thermomètre : elle sent la chaleur qu'elle perd. Touche dix matériaux, puis mets ce savoir à profit pour une glacière ou une poignée de casserole.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Tous les objets sont à la même température, mais la main ne ressent pas la même chose : au contact du cuivre, la peau descend presque à 20 °C ; au contact du bois, elle reste vers 30 °C.
- Les métaux conduisent très bien la chaleur (λ grand) : ils l'emportent loin de la peau, qui se refroidit vite. Le bois, la laine et le polystyrène la laissent sur place : la peau reste chaude.
- Sur le profil de température, la courbe s'étale très loin dans le métal, alors qu'elle reste collée à la surface du bois : la chaleur pénètre profondément dans les bons conducteurs.
- Si les objets sont plus chauds que la peau, tout s'inverse : à 90 °C, le métal brûle, alors que le bois d'un sauna se touche sans danger.
- Pour une glacière, on veut au contraire un flux le plus petit possible : un matériau de faible λ, assez épais, plein d'air emprisonné, comme le polystyrène.
Expériences à faire
- Touche les neuf objets et classe-les du plus « froid » au plus « chaud ». Le classement suit-il celui de la conductivité λ ?
- À quelle température des objets le métal et le bois paraissent-ils aussi chauds l'un que l'autre ? Pourquoi ?
- Pourquoi les bancs des saunas sont-ils en bois et pas en métal ?
- Quelle épaisseur de polystyrène faut-il pour garder 2 kg de glace pendant une journée ? Et avec du bois ?
- Pourquoi les poignées de casserole sont-elles en bois ou en plastique ? Compare le flux qui arrive dans la main avec une poignée en acier.
La physique derrière l'animation
- Conduction : un transfert thermique va spontanément du corps chaud vers le corps froid. À travers une paroi d'épaisseur e et de surface S : Φ = λ S Δθ / e, où λ est la conductivité thermique (W·m−1·K−1) : cuivre 390, acier 50, verre 1, bois 0,13, polystyrène 0,035.
- Résistance thermique : Rth = e / (λ S), en K/W, et Φ = Δθ / Rth. Des résistances en série s'additionnent (paroi + couches d'air collées aux deux faces, Rair = 1 / (h S) chacune).
- La sensation de chaud ou de froid dépend de la température de la peau au contact. Pour deux corps mis en contact : θc = (b1 θ1 + b2 θ2) / (b1 + b2), avec l'effusivité b = √(λ ρ c) : le corps de plus grande effusivité impose presque sa température.
- Juste après le contact, le flux surfacique perdu par la peau vaut φ = bpeau (θpeau − θc) / √(π t) : il est grand au début puis diminue. Effusivités typiques (unités SI) : cuivre ≈ 37 000, acier ≈ 13 000, verre ≈ 1 400, peau ≈ 1 100, bois ≈ 350, polystyrène ≈ 30.
- Fonte de la glace : Q = m Lf avec Lf = 334 kJ/kg, puis Δt = Q / Φ. Modèles simplifiés : objets épais pour le toucher, régime permanent pour l'isolant ; valeurs typiques arrondies, toutes modifiables.
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