Vous êtes dehors. Il fait froid. Vous n'êtes vous-même pas très réchauffé(e). Et en plus vous avez envie de vous assoir. Vous avez le choix entre un banc en bois et un banc métallique.
- Lequel choisissez-vous ? Celui en bois ? Pourquoi ?
- "Parce que celui en fer est plus froid."
- non il n'est pas plus froid, les deux bancs sont à la même température, c'est-à-dire la température de l'air ambiant.
- "ben pourtant quand je m'assieds je sens bien qu'il est plus froid que celui en bois."
- Tss, tss, tss, ...

Vous êtes au bord du lac. Il fait assez beau. Les maîtres nageurs (en maillot de bain une pièce rouge ultra moulant) annoncent une eau à 19 ºC. Et vous savez que quand il fait 19 ºC dans votre salle de bains vous n'avez pas froid malgré votre nudité (oho !). Vous mettez donc votre plus beau maillot de bain (nan ? vous êtes naturiste ? ok ça ne change rien à l'expérience) et foncez dans l'eau. Et là, tétanisé(e) au milieu de l'eau, vous vous retournez vers la plage en comprenant soudainement pourquoi tout le monde reste sur le bord, et vous hurlez "put... ! elle est gelée ! " ('faut pas exagérer quand même, disons qu'elle est fraiche).
- Pourquoi ?
- "Bah de l'eau à 19 ºC c'est froid, on l'sait."
- Oui mais de l'eau à 19 ºC ce n'est pas plus froid que de l'air à 19 ºC. 19 ºC c'est 19 ºC, tout comme 1 kg de plomb pèse aussi lourd qu'1 kg de plume. Alors ? ... alors vous sèchez ... :-) (et tant mieux pour quelqu'un qui sort de l'eau).

Vous êtes peinard(e) chez vous en T-shirt et en train de lire la méthode de calcul des 300 premières décimales du nombre Π (PI). Tout est fermé. Tout d'un coup un crétin allume le ventilateur qui est à coté de vous (car un gars qui allume un ventaliteur quand vous êtes en pleine réflexion est forcément un crétin !). Bref, vous vous retenez, et vous poursuivez votre lecture. Mais au bout d'un quart d'heure vous avez décidément froid et vous vous mettez à insulter violemment le crétin cité plus haut. Réaction normale. Cela dit pourquoi avez-vous froid ?
- "Ben, le ventilateur fait du froid ..."
- Non non le ventilateur ne fait pas du froid. C'est un ventilateur d'entrée de gamme.
- "Oui je sais, ce n'est pas ça que je voulais dire, je veux dire que l'air du ventilateur ... euh ... fait du froid ..."
- Il n'y a aucune raison. L'air que le ventilateur brasse et vous envoie dessus est le même que celui qui est partout dans la pièce. Il est donc à la même température. Il est aussi à la même température que l'air, un quart d'heure avant que le ventilateur soit allumé.
- "..."

Nous savons que l'air ambiant, le banc en bois, et le banc en métal sont froids tous les trois. Supposons que leur température est de 5 °C, ce qui est froid. La température interne d'un corps humain (oui, la température anale) est d'environ 37 °C. Quand vous vous asseyez sur le banc, ce sont essentiellement vos fesses et vos cuisses qui sont en contact avec le banc (ouh ! quelle chance a ce banc ! :-) ). La séparation est seulement constituée d'une jupe ou d'un pantalon ou d'un short et d'un sous-vêtement pour ceux ou celles qui en portent, donc pas grand-chose. Pour simplifier les explications, supposons que ce pas grand-chose soit en fait inexistant (concrètement ça veut dire que vous êtes tout(e) nu(e) dehors sur un banc, exhibitioniste va !). Un corps à 37 °C directement en contact avec un deuxième corps à 5 °C, à votre avis qu'est ce que ça donne ? Eh bien la chaleur va vouloir se répartir sur les deux corps. Pourquoi ? Parce que nous vivons dans un univers où c'est ainsi. Il n'y a rien à comprendre, il y a juste savoir (et c'est tout le temps comme ça en sciences d'ailleurs et surtout en mathématiques, ne cherchez pas à comprendre ! ).

Donc le corps à 5 °C va absorber de la chaleur du corps à 37 °C, ce qui va la réchauffer, et le corps à 37 °C va donner de la chaleur au corps à 5 °C, ce qui va le refroidir. Et comme le corps à 37 °C c'est vous, eh bien vous allez-vous refroidir. En fait, la plupart du temps et heureusement pour vous, vous n'allez pas vous refroidir car votre corps n'est pas inerte comme le banc, il va fabriquer de la chaleur tant qu'il le peut. Quand il ne le pourra plus, parce qu'il aura épuisé toutes ses ressources (les signes avant coureurs sont les frissons, vous "grelottez" presque en permanence), vous tomberez en hypothermie ...

- "OK. j'ai bien compris que je réchauffais le banc en m'asseyant dessus. Mais pourquoi le banc en bois est-il plus chaud que le banc en métal ?"
- ne recommencez pas ! m... à la fin ! :-) : les deux bancs sont à la même température, c'est-à-dire 5 °C dans notre exemple.

Effectivement nous savons que la chaleur du corps humain est transmise au banc. Mais au niveau du banc lui-même, que se passe-t-il ? Eh bien la surface du banc qui est directement en contact avec la surface de votre corps, et qui reçoit la chaleur de votre corps, va elle-même aussi vouloir donner de la chaleur à ses surfaces voisines. Et ainsi de suite jusqu'au volume tout entier du banc. La chaleur présente dans le banc (bien qu'il ne soit qu'à 5 °C, le banc porte quand même une certaine quantité de chaleur, on peut dire qu'il n'y a aucune chaleur quand la température est de -273 °C, qui est quasiment la température qui règne au beau milieu de l'espace) et dans votre corps tend à se répartir uniformément dans le banc et dans votre corps. Donc si cette transmission de chaleur depuis la source, c'est-à-dire votre corps, jusqu'aux extrémités les plus éloignées du banc passe mal, vous sentirez très peu le déficit de chaleur. Par contre, si votre chaleur est volée et bien diffusée au volume tout entier du banc vous allez instantanément le sentir. Vous allez sentir cette chaleur qu'on vous ôte, vous allez sentir un refroidissement. Cette capacité à bien transmettre ou non la chaleur s'appelle la conductivité thermique, tout comme il y a la conductivité électrique qui est l'inverse de la résistivité électrique. Si la conductivité thermique est grande, donc si la résistivité thermique est faible, la chaleur va se diffuser sans peine dans tout le volume.

La conductivité thermique s'exprime en W / m / K (Watt par mètre par Kelvin) ou W / (m.K). Mais peu importe. Et les mesures en thermique ont permis de caractériser certains matériaux. Supposons que le banc en métal soit plus précisement en acier inoxydable et que le bois du banc en bois soit du chêne. Les mesures montrent que les conductivités thermiques sont :

• acier inoxydable, 16 W / m / K
• chêne, 0,17 W / m / K

soit un rapport de presque 100 entre les deux ! L'acier inox conduit 100 fois mieux la chaleur que le chêne.

- vous sentez une idée se dégager là ?
- "hhhhmmm, oui oui ouiiii : l'acier inox du banc en métal conduit extrêmement mieux la chaleur que le chêne du banc en bois. Donc le banc en métal va diffuser avec beaucoup plus de facilité la chaleur dans tout son volume que le banc en bois. Donc le banc en métal va en quelque sorte m'ôter plus rapidement de la chaleur. Et ce vol de chaleur à haut débit je vais le ressentir comme du froid."
- Congratulations ! We have a winner ! CQFD.

Vu le rapport entre les 2 valeur (100), on peut dire que le banc en bois ne conduit pas la chaleur, c'est un isolant thermique, et que le banc en métal conduit la chaleur, c'est un conducteur thermique.

- à partir de cette explication, petits exercices :

• pour remuer longuement votre gamelle de nouille en pleine ébullition (100 °C au niveau de la mer), vous utilisez une cuillère en chêne (!) ou en acier inox ?
• pour se protéger du froid dans sa maison, vaut-il mieux des portes en tôle ou des belles portes en chêne ?
• se rappelant que la conductivité thermique de l'acier inox est de 16 W / m / K et sachant que celle du cuivre est de 386 W / m / K, pourquoi les casseroles "de luxe" sont-elles en cuivre alors que les casseroles bas de gamme sont en acier inoxydable ? Et quel est l'interet des casseroles "intermédiaires" avec carcasse en acier inox et fond (extérieur) en cuivre ?

Si vous avez suivi l'explication précédente et si vous l'avez comprise (obligatoire tellement elle était claire :-) ), vous allez comprendre pourquoi vous avez froid dans l'eau calme à 19 °C alors que vous êtes à l'aise dans une pièce à 19 °C.

C'est encore une fois une affaire de conductivité thermique. Et vous allez tout comprendre quand je vous annonce :

• conductivité thermique de l'eau, 0,556 W / m / K
• conductivité thermique de l'air, 0,0262 W / m / K

Soit un rapport de 0,556 / 0,0262 = 21. L'eau conduit beaucoup mieux la chaleur que l'air. Votre corps est toujours à 37 °C depuis que vous avez quitté le banc, et le milieu ambiant (l'eau du lac ou l'air de la salle de bains) est à 19 °C. Vous êtes nu(e) (éhé !) donc vous êtes en contact direct avec une température à 19 °C. Cette fois encore c'est votre corps qui est le plus chaud, donc c'est lui qui va avoir tendance à réchauffer le milieu (banc en bois, banc en métal, ou en l'occurence de l'eau ou de l'air) avec lequel il est en contact, donc c'est lui qui va avoir tendance à se refroidir. Hélas.

Donc, dans l'eau, la chaleur de votre corps va être absorbée et diffusée plus facilement dans le but de réchauffer toute l'eau du lac (!). Au contraire, dans la salle de bains, l'air étant un meilleur isolant thermique, votre chaleur corporelle est partagée moins aisément avec tout l'air de la salle de bains. Il résulte une sensation de froid très faible voire inexistante.

A partir de cette explication, petits exercices :

• pourquoi les moteurs puissants sont-ils généralement refroidis à l'eau (radiateur d'eau) plutôt que par l'air ?
• pourquoi le forgeron trempe-t-il ses fers à cheval encore incandescents dans l'eau pour les refroidir au lieu de les laisser refroidir sur une étagère ? (négligeons les besoins de trempe et / ou de recuit des métaux.)

Cette fois-ci l'approche est différente. Il n'y a pas de comparaison entre des températures différentes de milieux. Vous êtes et restez dans le même milieu : une pièce où l'air ambiant est à 21 °C. La température de votre corps est toujours à 37 °C (malgré toutes vos péripéties), vous êtes en T-shirt mais pour simplifier l'explication supposons que vous êtes torse nu (avec un soutien-gorge pour les jeunes filles, quand même, on n'est pas des bêtes !).

Quels sont les effets d'un ventilateur ? Un ventilateur fait circuler de l'air. C'est tout. Parallèlement à ça, dans l'air immobile (donc en l'absence de circulation d'air créé par exemple par un ventilateur) notre corps se fabrique une petite enveloppe d'air "chaud". en effet, cette fois encore, notre corps à 37 °C est plus chaud que le milieu ambiant à 21 °C dans lequel il est placé. Il va donc chercher à réchauffer ce milieu ambiant. Cela dit comme nous l'avons vu précédemment l'air est un assez bon isolant thermique. L'association de ces deux faits a pour résultat une superposition de couches d'air de moins en moins chaudes au fur et à mesure que l'on s'éloigne de notre corps. Par exemple, il y aura une couche d'air à 32 °C de 1 mm d'épaisseur en contact direct avec la peau de notre corps, par-dessus une deuxième couche d'air de 1 mm d'épaisseur à 28 °C, une troisième couche d'air de 1 mm d'épaisseur à 19 °C, etc ... jusqu'à atteindre les 21 °C de l'air ambiant. Cette diminution de température en fonction de l'éloignement s'appelle un gradient de température.

Au final si notre corps et l'air ambiant sont tous les deux immobiles, et c'est le cas, un équilibre tend à s'installer. Et nous sommes bien au chaud. Mais que se passe-t-il si de l'air à 21 °C, soufflé par exemple par un ventilateur, non seulement chasse nos fragiles petites couches d'air bien chaudes mais en plus arrive directement en contact avec notre corps ?! Hé bien, notre corps n'est plus en contact avec un milieu à 32 °C, il est en contact avec un milieu à 21 °C. Et nous ressentons du froid.

À partir de cette explication, petits exercices :

• pourquoi a-t-on l'habitude de souffler sur sa soupe quand elle est trop chaude ?
• pourquoi y a-t-il des ventilateurs dans les PC ?

- Alors Brad, elle était bonne ? pas trop froide ?
- "Oh no, she was great and she was very hot !"
- Euh nan pas Pamela, l'eau ...
- "Oh, 'don't understand. 'Doesn't mind. I go back ! Pam' !"
- veinard ... n'empèche qu'elle t'a lourdé Jennifer Aniston mon p'tit gars !
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