Le sauna est à 90°C, pourtant on le supporte : pourquoi ?
― Avec de l'eau à la même température, la chaleur entre 50 fois plus vite
Si vous plongiez la main dans une eau à 90°C, ce serait une brûlure grave en un instant. Pourtant, on peut rester assis dix minutes dans un sauna à 90°C. La température est la même : d'où vient cette différence ? La réponse tient en deux points : « l'air transmet très mal la chaleur » et « la sueur l'emporte avec elle ».
En ouvrant la porte du sauna, une bouffée d'air brûlant vous frappe le visage. Le thermomètre affiche 90°C. Pour de l'eau, c'est une température qu'on ne peut même pas toucher.
Pourtant, assis sur le banc en bois, en quelques minutes la sueur coule de tout votre corps. C'est brûlant, mais ça ne fait pas mal.
Et pourtant, si par maladresse vos doigts touchent une poignée métallique sur le mur, vous retirez la main en disant « aïe ! ». La même pièce, la même température, et pourtant...
Pourquoi 90°C ne pose pas de problème : seulement deux raisons
Ce qui nous fait ressentir la chaleur, ce n'est pas la température en elle-même, mais la « vitesse » à laquelle la chaleur entre dans le corps. L'air est très clairsemé, donc il transmet la chaleur beaucoup plus lentement que l'eau à la même température.
Quand la sueur sur la peau s'évapore, elle absorbe une grande quantité de chaleur autour d'elle. Dans l'air sec, la sueur s'évapore sans cesse, ce qui permet de renvoyer vers l'extérieur une grande partie de la chaleur qui entre.
C'est grâce à la réunion de ces deux facteurs qu'on peut rester un moment dans un air à 90°C. Autrement dit, si l'un des deux disparaît, on devient soudain incapable de le supporter. Voyons cela dans l'ordre.
Ce n'est pas la température qui décide de la sensation de chaleur, mais la « vitesse d'entrée »
Ce que la peau ressent, ce n'est pas la température extérieure en degrés. C'est la quantité de chaleur qui entre dans le corps par seconde.
Cette vitesse d'entrée de la chaleur se détermine par la multiplication de deux facteurs. L'un est l'écart de température. L'autre est la facilité avec laquelle le milieu transmet la chaleur. L'air, comparé à l'eau pour un même volume, ne pèse qu'environ 1/800e. Il y a donc beaucoup moins de particules qui viennent heurter la peau pour y déposer de la chaleur.
Regardez la figure 1. La barre du haut représente la chaleur qui entre en une seconde dans un mètre carré de peau, depuis de l'air à 90°C. La barre du bas correspond à de l'eau à cette même température de 90°C. La barre de l'eau dépasse du cadre de la figure : sa valeur est environ 50 fois celle de l'air.
La poignée métallique du mur du sauna est chaude pour la même raison. Le métal transmet très facilement la chaleur, donc même à la même température que l'air, elle entre dans le doigt des dizaines de fois plus vite. Le banc est en bois justement parce que le bois transmet mal la chaleur.
La sueur s'en va en portant la chaleur sur son dos
Même si l'air transmet mal la chaleur, dans une pièce à 90°C, environ 900 watts entrent dans tout le corps. C'est à peu près la puissance d'un radiateur électrique. Sans rien faire, le calcul montre que la température du corps monterait de plus de 2°C en dix minutes.
C'est la sueur qui empêche cela. Regardez la figure 2. Quand l'eau passe de l'état liquide à l'état gazeux, elle absorbe énormément de chaleur autour d'elle. Quand la sueur s'évapore sur la peau, la vapeur emporte directement, sur son dos, la chaleur qui venait d'entrer par le haut.
Si l'on ressent soudain plus de chaleur quand on verse de l'eau sur les pierres du poêle du sauna, c'est l'état représenté à droite. Quand l'air devient humide, la sueur a plus de mal à s'évaporer. De plus, quand la vapeur touche la peau plus froide et redevient eau, elle y redépose intégralement la chaleur qu'elle avait absorbée en s'évaporant. C'est le même mécanisme que pourquoi une brûlure à la vapeur est plus grave qu'avec de l'eau chaude. Le chiffre du thermomètre bouge à peine, et pourtant la sensation de chaleur grimpe d'un coup : voilà pourquoi.
Dans l'Angleterre des années 1770, le médecin et scientifique Charles Blagden aurait, avec des collègues, mené une expérience en entrant dans une pièce chauffée à plus de 100°C. Selon les récits, un morceau de viande crue placé dans la même pièce a cuit, alors que la température corporelle des participants a à peine augmenté. C'est l'une des premières expériences connues à avoir vérifié le mécanisme par lequel la sueur refroidit le corps.
La limite de chaleur supportable par l'être humain dépend plus de l'humidité que de la température elle-même. Un air humide à 40°C peut être plus pénible pour le corps qu'un air sec à 90°C. En effet, quand la sueur ne peut plus s'évaporer, il ne reste presque plus aucun moyen d'évacuer la chaleur. Même au sauna, ne restez pas trop longtemps et hydratez-vous en sortant. En règle générale, évitez le sauna si vous ne vous sentez pas bien ou après avoir bu de l'alcool.
En résumé
On supporte les 90°C du sauna parce que l'air transmet très mal la chaleur. Elle n'entre qu'à environ un cinquantième de la vitesse qu'aurait de l'eau à la même température. Pourtant, la chaleur qui entre est bien évacuée vers l'extérieur grâce à l'évaporation de la sueur. C'est pourquoi un sauna sec est supportable, mais dès que l'humidité augmente ou qu'on touche du métal, on ressent soudain une chaleur intense.
Ce qui détermine la sensation de chaleur, ce n'est pas la température, mais la « vitesse à laquelle la chaleur entre ».
L'air du sauna est chaud, et très maladroit.
Cette différence dans la façon de transmettre la chaleur joue aussi un rôle central dans pourquoi une brûlure à la vapeur est plus grave qu'avec de l'eau chaude et dans comment les abeilles tuent un frelon grâce à la chaleur.
- Un matin d'hiver, prenez successivement dans la main une cuillère en métal et une cuillère en bois (ou un tissu) laissées dans la pièce. Les deux devraient être à la température de la pièce, mais le métal paraît plus froid. C'est la différence de vitesse de transmission de la chaleur.
- Mouillez légèrement le dos d'une main et éventez-la avec un éventail, en laissant l'autre sèche. La main mouillée paraît bien plus froide. C'est la preuve que l'évaporation absorbe de la chaleur.
- Dans le vestiaire après le bain, comparez la façon dont votre corps sèche et la sensation de fraîcheur, selon que la vapeur stagne ou que l'air est ventilé et sec.
N'essayez pas avec du métal brûlant ou de l'eau bouillante. Des objets froids ou à température ambiante suffisent déjà à montrer la différence.
Pour aller plus loin ― termes, formules, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est précisé
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau des matières « Physique fondamentale » et « Physique » au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : contenu de matières spécialisées universitaires (thermique, physiologie environnementale)
- RecherchePas encore enseigné comme établi même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Transfert thermique par convection : transfert de chaleur entre un objet et un fluide (air, eau, etc.) de température différente.
- Coefficient de transfert thermique (h) : nombre représentant cette facilité de transmission. Il est faible pour l'air, élevé pour l'eau ; pour un même écart de température, le flux de chaleur peut varier d'un facteur énorme.
- Chaleur de vaporisation (chaleur latente) : chaleur absorbée autour d'elle quand un liquide devient gaz. Pour la sueur, on considère environ 2400 joules par gramme.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle différence de chaleur entrante entre air et eau à 90°C ?
Calculons la chaleur entrant en une seconde dans un mètre carré de peau, pour l'air et pour l'eau. Estimons aussi combien de sueur il faut pour évacuer la chaleur qui entre dans tout le corps. Les valeurs de coefficient de transfert thermique utilisées ici sont des ordres de grandeur arrondis : air calme pour l'air, corps immergé pour l'eau.
| En notation symbolique | q = h × ( T_air − T_peau ) |
| En mots | Chaleur entrante par seconde et par mètre carré = facilité de transmission × écart de température |
| Origine de cette formule | Loi du refroidissement de Newton. La chaleur s'écoule du chaud vers le froid proportionnellement à l'écart de température, le coefficient de proportionnalité étant le coefficient de transfert thermique h. |
| Symbole | Signification et unité |
| q | Chaleur entrant par seconde et par mètre carré (W/m²) |
| h | Coefficient de transfert thermique (W/(m²·K)). Force de transmission de la chaleur du milieu |
| T_air, T_peau | Température de l'air (ou de l'eau) et température de la surface de la peau (°C) |
| Température de l'air du sauna | 90 °C |
| Température de la peau dans le sauna (estimation) | 40 °C |
| Coefficient de transfert thermique de l'air (estimation) | 10 W/(m²·K) |
| Coefficient de transfert thermique de l'eau (estimation) | 500 W/(m²·K) |
| Surface corporelle d'un adulte | env. 1,8 m² |
| Chaleur de vaporisation de la sueur | env. 2400 J par gramme |
| Capacité thermique du corps (poids 60 kg, env. 3,5 kJ/kg pour 1°C) | env. 210 kJ/°C |
| Écart de température | 90 − 40 = 50 °C |
| Chaleur entrante q depuis l'air (par mètre carré) | 10 × 50 = 500 W/m² |
| Chaleur entrante q depuis l'eau (par mètre carré) | 500 × 50 = 25000 W/m² |
| Rapport eau/air | 25000 ÷ 500 = 50 fois |
| Chaleur entrant dans tout le corps depuis l'air | 500 × 1,8 = 900 W |
| Chaleur accumulée en 10 min (600 s) | 900 × 600 = 540000 J |
| Hausse de température sans sueur | 540 ÷ 210 ≒ 2,6 °C |
| Sueur à évaporer par seconde | 900 ÷ 2400 = 0,375 g |
| Sueur à évaporer en 10 min | 0,375 × 600 = 225 g |
La chaleur que l'air à 90°C transmet à la peau est 50 fois plus faible que celle d'une eau à la même température. Pourtant, pour tout le corps, cela représente environ 900 watts, soit la puissance d'un radiateur électrique : sans sueur, la température corporelle monterait de plus de 2°C en dix minutes. Pour contrer cela, il faut évaporer environ 225 grammes de sueur en dix minutes, soit l'équivalent d'un verre d'eau. En réalité, le rayonnement des murs s'ajoute à cela, et une partie de la sueur ruisselle sans servir au refroidissement, donc la température corporelle monte progressivement malgré tout.
LycéeLycée+Il existe trois façons de transmettre la chaleur
LycéeLa chaleur se transmet par trois moyens : la « conduction » entre objets en contact, la « convection », où l'air ou l'eau en mouvement la transportent, et le « rayonnement », qui l'apporte à distance sous forme de lumière. Dans le sauna, le corps reçoit de la chaleur à la fois par convection depuis l'air chaud et par rayonnement depuis les murs et le plafond chauds.
Lycée+La différence de chaleur ressentie entre la poignée métallique et le bois vient de ce que la température de la peau au moment du contact dépend de la combinaison « facilité de transmission de la chaleur × capacité à en stocker » des deux matériaux. Cette combinaison s'appelle l'effusivité thermique. Elle est des dizaines de fois plus élevée pour le métal que pour le bois, ce qui amène rapidement la surface de la peau près de la température du métal.
UniversitéLe coefficient de transfert thermique dépend du mouvement de l'air
En thermique, on détermine le coefficient de transfert thermique h à partir de relations (corrélations) entre le nombre de Reynolds ou de Grashof, qui décrivent l'état de l'écoulement, et le nombre de Nusselt, qui décrit la facilité de transmission de la chaleur. Pour la convection naturelle dans un air calme, h vaut de quelques unités à une dizaine de W/(m²·K), mais il augmente si l'on s'évente. C'est pourquoi le vent d'une serviette agitée dans le sauna paraît chaud. Le flux de chaleur dû à l'évaporation de la sueur est traité comme proportionnel à l'écart d'humidité, relié au coefficient de transfert thermique par la relation de Lewis.
📖 Dérivation des formules et approfondissements : Loi du refroidissement de Newton (Wikipédia, en japonais) ／ Coefficient de transfert thermique (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Où se situe la limite d'humidité supportable par l'être humain ? On a longtemps cité une « température humide de 35°C » comme limite au-delà de laquelle la sueur ne peut plus refroidir le corps, mais certaines mesures sur des sujets humains rapportent une hausse continue de la température corporelle à des températures humides plus basses. Le débat continue.
- Effets à long terme du sauna sur le corps. Un grand suivi de cohorte en Finlande a rapporté une association entre fréquence des séances de sauna et moindre incidence de maladies cardiovasculaires, mais on ne sait pas encore distinguer l'effet propre du sauna de celui des différences de mode de vie.
- Variations individuelles de la transpiration. L'acclimatation à la chaleur accélérerait le déclenchement de la sueur et en augmenterait la quantité, mais les détails de ces variations individuelles et des mécanismes d'acclimatation dans le corps restent étudiés.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Le calcul du flux de chaleur lui-même est fiable, mais la limite de tolérance du corps humain varie selon les individus : prenez ces chiffres comme des ordres de grandeur.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 4e « changements d'état », 3e « énergie » | La sueur absorbe de la chaleur en s'évaporant |
| Lycée | Physique fondamentale « chaleur et énergie » | Capacité thermique, les trois modes de transmission de la chaleur |
| Lycée+ | Encadré de physique | Effusivité thermique (pourquoi le métal paraît chaud) |
| Université | Thermique, physiologie environnementale | Coefficient de transfert thermique, nombre de Nusselt, relation de Lewis |
| Recherche | Physiologie de la chaleur, épidémiologie | Limite de température humide, effets à long terme du sauna |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Sauna, chaleur moite de l'été, fraîcheur du ventilateur ou de l'éventail |
- Société japonaise des ingénieurs mécaniciens, « Données de thermique » (Nippon Kikai Gakkai, 日本機械学会) (ordres de grandeur du coefficient de transfert thermique)
- Blagden, C. (1775) Experiments and Observations in an Heated Room. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 65.
- Sherwood, S. C. & Huber, M. (2010) An adaptability limit to climate change due to heat stress. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107.
- Laukkanen, T. et al. (2015) Association between sauna bathing and fatal cardiovascular and all-cause mortality events. JAMA Internal Medicine, 175.
- Chaleur de vaporisation - Wikipédia (en japonais)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à comprendre le mécanisme. Pour l'utilisation du sauna, suivez les consignes de l'établissement, et les personnes ayant des problèmes de santé doivent consulter un médecin.