En architecture bioclimatique, les matériaux choisi pour l'isolation thermique de l'habitat sont nécessaires pour réaliser des économies d'énergies.
Difficulté
Facile
Durée
1 heure(s)
Disciplines scientifiques
Science de la matière
- Matériel et outils
- Fichiers
Canette 
Contenant métallique, de différentes formes, généralement contient de la boisson.
Eau 
L'eau est une substance essentielle à la vie. Transparente, sans goût et sans odeur, on la consomme le plus souvent dans son état liquide.
Bouchon de liège 
Un bouchon est un accessoire fermant le volume de la bouteille pour éviter que le liquide contenu ne s'écoule ou ne s'évapore. Sur les 16 milliards de bouchons produits chaque année, 80 % sont en liège ; mais les bouchons à vis et les bouchons synthétiques prennent de plus en plus de place dans le marché mondial
Aluminium 
Rouleau d'aluminium
Coton 
Le coton est utilisé pour fabriquer des vêtements légers depuis des millénaires dans les régions au climat tropical. L'on a trouvé des fragments de coton datant d'il y a environ 7 000 ans dans des grottes de la vallée du Tehuacán, au Mexique.
Papier journal
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papier journal
Scotch 
Scotch transparent
Ciseaux 
Un paire de ciseaux est un outil comportant deux lames mobiles articulées qui glissent l'une sur l'autre pour trancher les matériaux minces.
Bouilloire 
La bouilloire est un ustensile de cuisine utilisé pour porter un liquide à ébullition. Elle est généralement utilisée pour la préparation du thé. Il existe deux principaux types de bouilloires : les bouilloires en métal que l'on chauffe de façon externe et les bouilloires électriques, disposant d'un chauffage intégré.
Thermomètre 
Un thermomètre (du grec ancien θερμός / thermós (« chaud ») et μέτρον / métron (« mesure »)) est un appareil qui sert à mesurer et à afficher la valeur de la température. C'est le domaine d'étude de la thermométrie. Développé durant les XVIe et XVIIe siècles, le thermomètre est utilisé dans différents domaines1. Les applications des thermomètres sont multiples, en météorologie, en médecine, en cuisine, pour la régulation, dans les procédés industriels, etc.
Entonnoir 
Un entonnoir est un instrument en forme de cône, terminé par un tube et servant à verser un liquide, une poudre, un granulé ou une pâte dans un récipient de petite ouverture. Ils sont faits d'un matériau suffisamment rigide, pour ne pas s'écraser sous le poids de ce que l'on verse, et imperméable. Ils sont généralement en verre, plastique ou métal, mais parfois en papier ciré lorsqu'ils sont destinés à un usage unique. Les entonnoirs sont utilisés en cuisine, en mécanique automobile et en industrie.
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Étape 1 - Préparer le matériel
Étape 2 - Déroulement de l'activité #1
Disposer les différents matériaux disponibles dans une zone "magasin".
Former des groupes de 2 à 5 personnes.
Distribuer une fiche "défi ingénieur" à chaque groupe.
L'objectif de cette activité est d'isoler une canette de soda en aluminium de 33cl qui sera remplie d'eau bouillante.
Les participants doivent réaliser le compexe isolant autour de la canette qui permet de limiter la déperdition de chaleur dans le temps. Ils ont à leur disposiition différents matériaux qui ont tous un coût, il doit être le plus bas possible. Chaque groupe doit imaginer son complexe isolant lors d'une première phase de réfléxion qui dure 5 minutes.
A la fin de cette phase , une fois les besoins définis, les "acheteurs" de chaque groupe se déplacent pour collecter les matériaux dont ils ont besoin.
L'animateur, ou l'un des participants, prend le rôle de "vendeur", distribue les matériaux et note les points dépensés par chaque groupe sur leur fiche "défi ingénieur".
Les participants ont alors 10 minutes pour créer leur complexe isolant.
Étape 3 - Déroulement de l'activité #2
A la fin des 10 minutes, on verse délicatement l'eau chaude (idéalement 60°C) dans chaque canette isolée à l'aide de l'entonnoir.
Mesurez la température initiale dans chacune des canettes. La pointe de la sonde doit arriver à peu près au milieu de la canette.
Laissez refroidir pendant 20 minutes dans des conditions similaires : suffisament espacées les unes des autres mais toutes à l'ombre ou au soleil et à tempréature ambiante. Ne plus y toucher.
Notez les résultats.
Qu'observe-t-on ?
Étape 4 - Déroulement de l'activité #3
Afin de déterminer le meilleur projet, on effectue le calcul suivant :
(T° initiale - T° finale) + (prix des matériaux) = score
Le groupe qui obtient le score le plus bas a conçu le dispositif le plus efficace. En effet, il a permis de limiter la baisse de la température tout en gardant des coûts raisonnables.
Étape 5 - Faire le bilan de l'activité
Au delà de la détermination du complexe isolant le plus efficace, il est intéressant de comparer les différents projets et leurs performances.
Demander à tous les participants de faire la liste des points sur lesquels il faut être vigilant lorsque l'on isole un volume ou une maison et quels sont les points prioritaires. L'animateur peut lister ces différents points au tableau et les numéroter par ordre d'importance. Ainsi on intègre mieux quels sont les différents facteurs à prendre en compte lors de l'isolation d'un volume et cela nous oblige à être vigilant.
Comment ça marche ?
Observations : que voit-on ?
On remarque normalement que les canettes qui sont restées les plus chaudes sont celles qui ont été intégralement isolées (dessus et dessous).
Explications
On remarque normalement que les canettes qui sont restées les plus chaudes sont celles qui ont été intégralement isolées (dessus et dessous). Vient ensuite le caractère isolant des matériaux employés : en général, plus ils contiennent d'air, et plus ils seront isolants. Enfin, l'épaisseur de la couche d'isolation compte aussi. On note que plus la couche isolante est épaisse, plus elle est efficace dans l'isolation.
Cependant, l'interêt décline aussi avec l'épaisseur car le rapport coût des matériaux / gains en température est de plus en plus défavorable. Il est vrai que chaque nouvelle couche d'isolation isole mieux la maison, mais en vaut-elle le coût ?
Grâce à cette expérience, on observe aussi que la chaleur a la capacité de passer à travers la matière par conduction thermique. Un matériau est isolant lorsque sa conduction thermique est faible. On peut alors aussi parler de résistance thermique qui est en fait mathématiquement l'inverse de la conductivité : conductivité th = 1/R
Il est important de noter que ce qui est important, c'est la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur qui déterminera l'importance des déperditions. Baisser la température de chauffage fera inévitablement baisser la facture de chauffage.
Plus d'explications
Pour définir l'isolation d'un matériau on utilise plusieurs grandeurs :
- la conductivité thermique lambda (W/m.°C) caractérise la capacité d'un matériau à transmettre la chaleur par conduction. Plus lambda est petit, plus le matériau est isolant. (les laines isolantes ont typiquement un lambda autour de 0,04 W/m.°C, la mousse PU allant jusqu'à 0,02)
- la résistance thermique R (en m2.°C/W) donne la capacité d'une paroi d'une certaine épaisseur à résister au transfert de chaleur R=e/lambda.
Ainsi, plus un mur est épais, plus il est isolant. Ou, pur une épaisseur donnée, plus le matériau utilisé a un lambda petit, plus le mur est isolant.
- le coéfficient de transmission calorifique U (en W/m2.°C) est l'inverse de R et représente la capacité d'une paroi d'une épaisseur donnée à laisser passer la chaleur. Plus U est petit, plus la paroi est isolante.
Par exemple un mur en ossature bois et bottes de paille peut avoir un U=0,18 W/m2.°C soir un R=0,45 m2.°C/W
Un mur en pierre de 60 cm d'épaisseur (cela dépend de la pierre) a un U=3 W/m2.°C soit un R=0,45 m2.°C/W
Un double vitrage 4-16-4 à gaz argon a un U autour de 1,3 W/m2.°C
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Éléments pédagogiques
Objectifs pédagogiques
- Comprendre les critères d'une isolation thermique de qualité
Pistes pour animer l'expérience
Pendant que les canettes refroidissent, demander à chaque groupe de présenter sa réalisation aux autres groupes. Quels matériaux ont-ils choisis ? Comment les ont-ils mis en oeuvre ? Pourquoi avoir fait ces choix ? Quels résultats attendent-ils ? Quelles difficultés ont-ils rencontré lors d ela réalisation ? ...
Il est possible de refaire l'expérience, en essayant d'atteindre un score plus bas que la première fois.
Il peut également être intéressant de donner pour consigne d'isoler les canettes avec seulement un matérieu (seulement de l'aluminium, seulement du carton, seulement du tissu, ...) afin de déterminer quel matériau a le plus grand pouvoir isolant.
Dernière modification 29/07/2020 par user:Choupisson débrouillard.
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