Pourquoi plusieurs couches fines sont-elles plus chaudes qu'un seul gros vêtement ?
― Ce qui réchauffe, ce n'est pas le tissu, mais l'air pris entre les couches
Quand vient le changement de saison, on entend toujours dire que « superposer les couches tient plus chaud ». Pourtant, la quantité de tissu est identique, voire moindre. Pourquoi ? La réponse ne tient pas au tissu lui-même, mais à la fine couche d'air qui se forme entre les tissus. Et cette couche a une limite claire : au-delà d'une certaine épaisseur, elle ne sert plus à rien.
Les matins et les soirs fraîchissent. C'est le moment de sortir les manches longues du fond de l'armoire. Avez-vous déjà hésité entre un gros pull épais et plusieurs chemises fines superposées ?
Les randonneurs et ceux qui travaillent dehors choisissent presque toujours la seconde option. « Plutôt que de mettre un seul vêtement épais, superpose des couches fines » : sur le terrain, c'est presque un mot d'ordre.
C'est étrange. Si la chaleur dépendait de la quantité de tissu, le vêtement épais devrait l'emporter. Or, en pratique, on a parfois plus chaud avec moins de tissu.
Il y a seulement deux raisons
Les fibres du tissu conduisent en fait mieux la chaleur que l'air. Quand on superpose des vêtements, une couche d'air immobile se forme entre eux. Cette couche joue le rôle d'un isolant plus efficace que le tissu.
La résistance à la fuite de chaleur augmente à chaque couche ajoutée, par simple addition. Même avec des tissus fins, plusieurs couches séparées par de l'air peuvent donc dépasser un seul vêtement épais.
Mais l'effet n'est pas illimité. Si la couche d'air devient trop épaisse, l'air se met à tourner à l'intérieur et emporte la chaleur au lieu de la retenir. Nous calculerons aussi cette limite plus loin.
L'air, le meilleur isolant à portée de main
La facilité avec laquelle un matériau laisse passer la chaleur s'exprime par un nombre : la « conductivité thermique ». Plus ce nombre est petit, moins le matériau conduit la chaleur.
Pour l'air immobile, elle vaut environ 0,026 à 20 °C. Les tissus de laine ou de coton, eux, sont faits de fibres serrées : leur valeur est d'environ 0,04. Le tissu laisse donc mieux passer la chaleur que l'air.
Un pull moelleux ou une couette en duvet tiennent chaud pour la même raison. Ce qui réchauffe, c'est la grande quantité d'air que les fibres retiennent. Si l'on écrase le duvet, il ne tient plus chaud : l'air en a été chassé.
Superposer des vêtements revient à faire la même chose « entre les vêtements ». Regardez la figure 1. Pour une quantité de tissu comparable, la chaleur passe plus difficilement quand de l'air est pris entre les couches.
Mais l'espace ne doit pas dépasser 1 cm
Alors, si l'on porte des vêtements amples pour épaissir la couche d'air, aura-t-on toujours plus chaud ? Non.
Quand l'air reste immobile, la chaleur ne le traverse que lentement. Mais si la couche devient épaisse, l'air réchauffé en bas s'allège et se met à monter. Dès que l'air tourne, la chaleur est emportée par l'air lui-même et file vers l'extérieur.
Ce seuil de mise en mouvement correspond, pour un écart de température d'environ 15 °C entre la peau et l'air extérieur, à une épaisseur d'espace d'environ 1 cm. Le calcul est détaillé dans le volet repliable final.
Le bon espace se situe donc entre quelques millimètres et 1 cm. Un vêtement collé au corps ne forme pas de couche d'air ; un vêtement trop flottant laisse l'air circuler. Les vêtements de randonnée sont coupés « avec un peu d'aisance » pour viser cette plage.
Le vent chasse les précieuses couches d'air. Même si les vêtements intérieurs sont excellents, l'effet chute nettement dès que le vent passe. Une couche extérieure coupe-vent protège les couches internes. C'est pourquoi ajouter une couche à l'extérieur est souvent plus efficace que d'épaissir un vêtement intermédiaire.
Quand l'humidité de la sueur s'accumule dans la couche d'air, la chaleur passe d'un coup beaucoup mieux. L'eau conduit la chaleur plus de 20 fois mieux que l'air. Enlevez une couche avant de bouger, remettez-la avant de vous arrêter : c'est la meilleure façon de profiter des couches multiples.
En résumé
Superposer les couches tient chaud non parce qu'il y a plus de tissu, mais parce qu'il y a plus de couches d'air immobile entre les tissus. La résistance à la fuite de chaleur s'additionne couche après couche, mais au-delà de 1 cm d'espace, l'air se met à tourner et le gain plafonne.
Ce qui réchauffe, ce n'est pas le vêtement lui-même,
mais l'air qu'il retient.
Le même principe, « emprisonner de l'air », se retrouve ailleurs. Pourquoi une bouteille thermos garde-t-elle le chaud pendant des heures ? traite d'une méthode qui retire l'air complètement. Pourquoi a-t-on la chair de poule quand il fait froid ? raconte comment le corps tente la même chose avec ses poils.
- Versez la même quantité d'eau chaude, à la même température, dans deux bouteilles en plastique identiques.
- Enroulez une serviette en 3 couches bien serrées autour de l'une. Autour de l'autre, enroulez la même serviette de façon lâche, en laissant un espace de l'épaisseur d'un doigt entre les couches.
- Après 30 minutes, mesurez la température de l'eau dans les deux. Avec la même quantité de tissu, la bouteille enroulée en douceur devrait être restée plus chaude.
Si vous élargissez l'espace à l'épaisseur de trois doigts, l'écart se réduit, car l'air se met à tourner à l'intérieur.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : chaque niveau est indiqué clairement
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en physique au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours spécialisés d'université (thermique, mécanique des fluides), non vus au lycée
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Conduction thermique : transmission de la chaleur du côté chaud vers le côté froid sans que la matière bouge. C'est surtout ce qui se passe dans les couches de vêtements.
- Conductivité thermique : nombre qui indique la facilité avec laquelle un matériau laisse passer la chaleur. L'unité est le watt par mètre et par kelvin ; plus il est petit, moins la chaleur passe.
- Résistance thermique : grandeur qui indique à quel point une couche freine la chaleur. On l'obtient en divisant l'épaisseur par la conductivité, et elle s'additionne quand on empile des couches.
- Convection : transport de la chaleur par le déplacement de l'air ou de l'eau réchauffés. Elle commence quand l'espace est trop large.
CollègeLycéeVérifier par la formule : quelle différence en watts ?
Calculons la chaleur qui quitte le corps avec un seul vêtement épais, puis avec trois vêtements fins superposés.
| En symboles | Q ＝ A × ΔT ÷ R et R ＝ d ÷ λ , R total ＝ R1 ＋ R2 |
| En mots | Chaleur perdue ＝ surface × écart de température ÷ résistance thermique. Résistance thermique ＝ épaisseur ÷ conductivité thermique. Quand les couches se suivent, les résistances s'additionnent. |
| D'où viennent-elles ? | Elles découlent de la loi selon laquelle le flux de chaleur est proportionnel à la chute de température (loi de Fourier). C'est la même forme que « courant ＝ tension ÷ résistance » en électricité, jusqu'à l'addition des résistances en série. |
| Conductivité thermique du tissu λ | Environ 0,04 (en watts par mètre et par kelvin) |
| Conductivité thermique de l'air immobile λ | Environ 0,026 à 20 °C (même unité) |
| Surface du corps d'un adulte A | Environ 1,7 (en mètres carrés) |
| Écart de température peau–air extérieur ΔT | 15, différence entre 33 °C et 18 °C (en kelvins) |
| Épaisseur d'un seul vêtement épais d | 0,008 (en mètres) |
| Total de tissu des trois fins d | 0,006 (même unité) |
| Total de l'air entre eux d | 0,004 (même unité) |
| Résistance thermique du vêtement épais | 0,008 ÷ 0,04 ＝ 0,2 |
| Part du tissu dans les couches | 0,006 ÷ 0,04 ＝ 0,15 |
| Part de l'air dans les couches | 0,004 ÷ 0,026 ≒ 0,154 |
| Résistance thermique totale des couches | 0,15 ＋ 0,154 ＝ 0,304 |
| Multiplier surface et écart de température | 1,7 × 15 ＝ 25,5 |
| Chaleur perdue avec le vêtement épais | 25,5 ÷ 0,2 ＝ 127,5 |
| Chaleur perdue avec les couches | 25,5 ÷ 0,304 ≒ 83,9 |
L'unité est le watt. Avec 2 mm de tissu en moins, la chaleur perdue passe de 127,5 watts à 83,9 watts, soit près de 40 % de moins. Une personne assise tranquillement dégage environ 100 watts. Avec un seul vêtement épais, la perte dépasse ce que le corps produit, et il se refroidit peu à peu. Avec les couches, la perte est inférieure : le calcul indique que la température du corps se maintient.
LycéeLycée+Pourquoi le gain plafonne à 1 cm d'espace
LycéePlus une couche d'air est épaisse, plus sa résistance thermique augmente. Mais au-delà d'une certaine épaisseur, l'air réchauffé monte dans la couche et l'air froid descend : une circulation s'installe. C'est la convection naturelle. La chaleur est alors transportée par l'air, et l'avantage d'épaissir la couche disparaît.
Lycée+L'apparition de cette circulation résulte d'un duel entre la force qui pousse l'air vers le haut et celle de sa viscosité qui le retient. Le rapport des deux s'exprime par une grandeur sans dimension, le nombre de Rayleigh. Pour une couche d'air prise entre deux parois, on sait que la circulation démarre quand sa valeur dépasse environ 1708. Si l'on cherche l'épaisseur qui atteint cette valeur pour de l'air avec 15 °C d'écart, on trouve environ 1 cm. C'est de ce calcul que vient le repère donné dans le texte.
Univ.Comment on conçoit l'isolation d'un vêtement
En thermique, on traite ce genre de problème comme un circuit en série de résistances thermiques. Quand la convection s'ajoute, on exprime la facilité de transfert de chaleur par le nombre de Nusselt, et on l'estime avec une relation liée au nombre de Rayleigh (corrélations de la convection de Rayleigh-Bénard). Dans le domaine du vêtement, la résistance thermique s'exprime dans une unité spécifique, le clo, et se mesure avec des mannequins chauffants dits « thermiques ». Les normes internationales prévoient même une méthode pour estimer, à partir de cette valeur, la quantité de vêtements nécessaire.
📖 Démonstrations et compléments : Conduction thermique (Wikipédia en japonais) ／ Nombre de Rayleigh (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Les vêtements d'une personne en mouvement se calculent mal. À chaque pas, le vêtement se comporte comme un soufflet et fait entrer et sortir l'air. L'ampleur des dégâts sur l'isolation dépend fortement des mouvements du corps et de la coupe, et il n'existe pas de formule générale.
- Le trajet de la sueur dans le tissu est difficile à modéliser. La chaleur transportée par la vapeur d'eau et celle transportée par l'eau absorbée s'entremêlent, avec condensation puis nouvelle évaporation d'une couche à l'autre. Les calculs qui traitent correctement cette combinaison sont encore en cours d'amélioration.
- Les mesures sur mannequin et la chaleur ressentie par une personne divergent. Un être humain règle lui-même la température de sa peau en modifiant sa circulation sanguine, alors qu'un mannequin garde sa surface à température constante. Comment combler cet écart reste un sujet de recherche.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « une explication valable dans l'état actuel des connaissances ». C'est un repère suffisant quand on reste immobile, mais des écarts apparaissent quand on bouge beaucoup.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : phénomènes du quotidien (transmission de la chaleur) | Différence entre conduction et convection, l'air conduit mal la chaleur |
| Lycée | Physique de base : chaleur (transferts, quantité de chaleur) | Calcul de la résistance thermique à partir de l'épaisseur et de la conductivité, puis de la chaleur perdue |
| Lycée+ | Physique approfondie (convection, grandeurs sans dimension) | Pourquoi le gain plafonne à 1 cm d'espace, nombre de Rayleigh |
| Univ. | Thermique, physique du bâtiment | Résistances thermiques en série, nombre de Nusselt, unité clo |
| Recherche | Science du vêtement, physiologie humaine | Évaluation de l'isolation des vêtements, mouvement et sueur compris |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Changement de saison, choix des vêtements de randonnée ou de travail en extérieur, choix d'une couette |
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台), éd., Rika Nenpyo (« Chronologie scientifique », 理科年表) (conductivité thermique de l'air et de divers matériaux)
- Architectural Institute of Japan (日本建築学会), éd., Kenchiku kankyo kogaku yo kyozai : Kankyo-hen (« Matériel pédagogique d'ingénierie de l'environnement bâti : volume Environnement », 建築環境工学用教材 環境編) (calcul en série des résistances thermiques, résistance thermique des vêtements)
- Norme internationale ISO 9920 (estimation de la résistance thermique et de la résistance à la vapeur d'eau des vêtements)
- Teruko Tamura (田村照子), dir., Koromo kankyo no kagaku (« La science de l'environnement vestimentaire », 衣環境の科学), Kenpakusha (建帛社) (isolation des vêtements et couche d'air)
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. La chaleur réelle d'un vêtement varie beaucoup selon la matière, la couture, le vent et l'humidité. Dans un environnement très froid, suivez les bulletins météo et les consignes des autorités locales ou des organisateurs.