Pourquoi le métal semble-t-il plus froid que le bois ?
― Même température, mais pas la même vitesse
Dans une même pièce, le pied métallique d'un bureau et son plateau en bois. Au toucher, le métal paraît bien plus froid. Pourtant, comme ces deux éléments ont passé le même temps dans la même pièce, ils sont en réalité presque à la même température. Alors, que mesure vraiment cette sensation de « froid » ?
Un matin d'hiver, vous avez peut-être déjà touché une poignée de porte en métal et retiré la main tant elle semblait froide. Juste à côté, en touchant la porte en bois, l'impression de froid est bien moins forte.
Pourtant, la poignée et la porte ont passé la même nuit dans le même couloir. Si leurs températures étaient vraiment différentes, elles finiraient par s'égaliser avec le temps. Mais le métal continue, indéfiniment, à sembler plus froid.
Ce n'est pas parce que le métal est réellement à une température plus basse.
Métal et bois, laissés longtemps dans la même pièce, finissent par atteindre presque la même température.
Ce que la peau ressent, ce n'est pas la température elle-même, mais la vitesse à laquelle la chaleur de la main s'échappe. Chez le métal, cette vitesse est exceptionnellement élevée.
Voyons, étape par étape, pourquoi « température » et « sensation de froid » ne coïncident pas.
La peau ressent la « vitesse de perte de chaleur », pas la « température »
Notre peau n'est pas un thermomètre : elle ne mesure pas la température en elle-même. Ce qu'elle perçoit, c'est la vitesse à laquelle la chaleur quitte notre corps, c'est-à-dire la rapidité de ce transfert thermique.
Notre température corporelle (environ 36 °C) est généralement plus élevée que la température ambiante, si bien que dès qu'on touche un objet, la chaleur commence à migrer du doigt vers cet objet. Plus ce transfert est rapide, plus la sensation de froid est forte, et plus il est lent, moins le froid se fait sentir.
Le métal transporte la chaleur « vite »
Chaque matériau possède une propriété appelée conductivité thermique, qui mesure sa capacité à transmettre la chaleur. On sait que la conductivité thermique du métal est incomparablement plus élevée que celle du bois, du tissu ou du plastique.
Quand le doigt touche du métal, la chaleur transmise est aussitôt emportée sur une large zone à l'intérieur du métal. La température juste sous le doigt chute brutalement, ce qui provoque une sensation de froid forte et immédiate. Avec le bois, la propagation étant lente, seule une zone minuscule sous le doigt se refroidit doucement, et globalement, peu de chaleur est perdue. D'où une sensation de froid bien plus faible.
C'est le capteur de votre corps qui mesure la « vitesse » à laquelle la chaleur s'échappe de votre main.
À l'inverse, par temps chaud, le métal paraît plus chaud
Ce phénomène se produit aussi dans l'autre sens. En plein été, un jeu métallique ou la carrosserie d'une voiture chauffés par le soleil semblent bien plus brûlants qu'un banc en bois. Cela vient du fait que le métal est non seulement plus chaud, mais que la chaleur passe aussi du métal vers le doigt bien plus vite que depuis le bois. Une conductivité thermique élevée accentue donc à la fois la sensation de froid et de chaleur.
Le corps des poêles et des casseroles est en métal, tandis que les poignées sont souvent en bois, plastique ou caoutchouc — des matériaux à faible conductivité thermique. Le corps transmet vite la chaleur aux aliments, tandis que la poignée la transmet peu et protège la main : chaque partie joue son rôle.
À vérifier soi-même
- Prenez une cuillère en métal et une cuillère en bois (ou des baguettes jetables) laissées un moment dans la même pièce
- Saisissez les deux en même temps, délicatement, une dans chaque main
- Vérifiez que le métal paraît nettement plus froid
- En les gardant en main quelques dizaines de secondes, on sent parfois le métal se réchauffer peu à peu (la chaleur du doigt réchauffant légèrement le point de contact)
C'est dans les premières secondes que le froid se fait le plus sentir, car c'est le moment où la chaleur s'échappe le plus vite.
En résumé
Si le métal semble plus froid que le bois, ce n'est pas parce que sa température est réellement plus basse. Ce que la peau ressent, c'est la vitesse à laquelle la chaleur s'échappe, et comme le métal a une conductivité thermique élevée, cette vitesse est exceptionnellement grande. Pour la même raison, un métal chaud paraît plus chaud que le bois. La sensation de « froid » ou de « chaud » n'est donc pas la température elle-même, mais un capteur qui révèle la vitesse du transfert de chaleur.
Le métal n'est pas froid.
Il ne fait qu'emporter votre chaleur, rapidement.
Cette même « différence de conductivité thermique » influence aussi la vitesse à laquelle le corps se refroidit en extérieur. Le mécanisme par lequel l'eau absorbe la chaleur bien plus vite que l'air est détaillé, calculs à l'appui, dans l'article sur l'hypothermie. Par ailleurs, l'illusion consistant à croire qu'un métal froid et lisse est « mouillé » est présentée dans Comment sait-on qu'un vêtement est mouillé ?.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, chiffres, liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche actuels, le niveau de chaque point est indiqué
- Collègeprogramme de sciences du collège
- Lycéeprogramme de « physique de base » du lycée
- Lycée+programme de « physique » du lycée, ou contenu approfondi/encadré du manuel
- Universiténon vu au lycée : matière spécialisée universitaire (physique du solide)
- Recherchepas encore une « vérité établie » même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots de la propagation de la chaleur
- Conduction thermique : phénomène par lequel la chaleur se propage, à l'intérieur d'un matériau, du point le plus chaud vers le point le plus froid.
- Conductivité thermique : valeur qui indique la facilité avec laquelle la chaleur se propage. Plus elle est grande, mieux la chaleur est transmise.
- Isolation thermique : le fait que la chaleur se propage difficilement, ou l'action de limiter cette propagation.
LycéeVérification par le calcul : quelle différence de vitesse entre métal et bois ?
À l'aide de valeurs typiques de conductivité thermique, calculons l'écart de vitesse de propagation de la chaleur entre métal et bois.
Vitesse de propagation de la chaleur = conductivité thermique × écart de température ÷ distance
| Conductivité thermique | valeur propre à chaque matériau. Unité : W/(m·K) |
| Écart de température | unité : K (ou °C) |
| Distance | épaisseur traversée par la chaleur. Unité : m |
À écart de température et distance égaux, le rapport des vitesses de propagation correspond exactement au rapport des conductivités thermiques.
| Conductivité thermique de l'aluminium | valeur typique d'environ 200 W/(m·K) |
| Conductivité thermique du bois | valeur typique d'environ 0,15 W/(m·K) |
| Rapport des vitesses (alu ÷ bois) | 200 ÷ 0,15 ≒ 1333 |
| Rapport des vitesses | environ 1333 fois |
À écart de température égal, l'aluminium emporte la chaleur environ 1300 fois plus vite que le bois, selon ce calcul. Avec un tel écart, il est logique que le doigt ressente un froid aussi intense.
| Conductivité thermique du fer (valeur indicative) | environ 50 W/(m·K) |
| Rapport fer/bois | 50 ÷ 0,15 ≒ 333 |
| Rapport des vitesses fer/bois | environ 333 fois |
| Rapport alu/fer | 200 ÷ 50 = 4 |
| Rapport des vitesses alu/fer | environ 4 fois |
Même le fer, moins extrême que l'aluminium, transmet la chaleur environ 300 fois plus vite que le bois. Il existe des écarts de plusieurs fois entre métaux, mais tous restent, face au bois ou au tissu, incomparablement plus conducteurs.
※ Les valeurs de conductivité thermique varient selon l'essence de bois ou la pureté du métal. Les chiffres ci-dessus sont des ordres de grandeur typiques.
Lycée+« Conductivité thermique » et « chaleur spécifique » sont deux propriétés distinctes
Il existe une autre grandeur qui influence la facilité à réchauffer ou refroidir un matériau : la chaleur spécifique (la quantité de chaleur nécessaire pour élever sa température d'un degré). La cause principale de la sensation de froid est la conductivité thermique, mais la chaleur spécifique influence aussi légèrement la sensation ressentie après un certain temps. Ne pas confondre ces deux propriétés est essentiel pour bien comprendre la propagation de la chaleur.
UniversitéLa raison microscopique de la bonne conduction thermique du métal
Dans un solide, la chaleur se propage essentiellement par deux voies. La première est la propagation des vibrations atomiques de proche en proche, commune à tous les solides. La seconde est le transport de l'énergie thermique par les électrons de conduction, des électrons capables de circuler librement dans le métal. Le métal conduit incomparablement mieux la chaleur que le bois ou le plastique, dépourvus d'électrons de conduction, car ce transport par les électrons de conduction est extrêmement efficace.
RechercheCe qui reste encore incertain
- Le développement de nouveaux matériaux à conductivité thermique encore plus élevée, destinés à la dissipation de chaleur dans l'électronique, fait l'objet de recherches actives. Plus la puissance de calcul des ordinateurs augmente, plus l'évacuation efficace de la chaleur produite devient cruciale.
- À très petite échelle (de l'ordre du nanomètre), les lois habituelles de la conduction thermique cessent de s'appliquer telles quelles. Comprendre et maîtriser précisément la propagation de la chaleur à cette échelle infime est un sujet de recherche actif, lié au développement des dispositifs électroniques de nouvelle génération.
- Des matériaux à structure particulière, dont la conductivité thermique varie selon la direction (matériaux à conduction thermique anisotrope), font également l'objet d'études. Cette technologie, permettant d'évacuer efficacement la chaleur dans une direction ciblée, ouvre des perspectives d'applications prometteuses.
Derrière la simple sensation de « froid » ou de « chaud » se cachent des sujets de recherche à la pointe de l'ingénierie des matériaux.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, propagation de la chaleur | Vocabulaire de base de la conduction et conductivité thermique |
| Lycée | Physique de base, chaleur et température | Calcul de l'écart de vitesse à partir du rapport des conductivités thermiques |
| Lycée+ | Physique, chaleur spécifique et capacité thermique | Différence entre conductivité thermique et chaleur spécifique |
| Université | Physique du solide | Mécanisme de la conduction thermique par les électrons de conduction |
| Recherche | Ingénierie des matériaux, thermique à l'échelle nanométrique (en cours) | Développement de matériaux à haute conductivité thermique, conduction à l'échelle nanométrique, matériaux à conduction anisotrope |
- Explications sur la conduction et la conductivité thermique dans les manuels de physique de base.
- Tableau des conductivités thermiques typiques de matériaux courants, dans des documents d'ingénierie des matériaux.
- Explications sur la théorie des électrons libres du métal et le mécanisme de conduction thermique, dans des manuels de physique du solide.
- Revue de recherche sur la conduction thermique à l'échelle nanométrique, dans le domaine du génie thermique.
- Revue de recherche sur les matériaux à conduction thermique anisotrope et les matériaux dissipateurs de chaleur, dans le domaine de l'ingénierie des matériaux.
※ Les valeurs de conductivité thermique sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la pureté et l'état du matériau.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à but général. Soyez prudent face aux objets très chauds ou très froids, qui peuvent provoquer brûlures ou gelures ; ne les touchez pas si un risque est suspecté.