Pourquoi la bouteille thermos
reste-t-elle chaude des heures ?
Versez la même eau chaude dans une tasse et dans une bouteille thermos. La tasse tiédit en 30 minutes ; la bouteille reste chaude une demi-journée plus tard. Elle n'« emprisonne » pas la chaleur. La chaleur a trois chemins pour s'échapper, et la bouteille bloque ces trois chemins, chacun d'une manière différente.
Imaginez une tasse de thé chaud. En refroidissant, où va la chaleur, et comment sort-elle ?
Premièrement. Elle se transmet directement là où l'on touche la tasse. C'est ce qui réchauffe votre main quand vous la tenez.
Deuxièmement. L'air réchauffé en surface s'allège et monte, pendant que de l'air froid vient prendre sa place. On le voit : c'est la vapeur qui s'élève.
Troisièmement. Celui-là est invisible. Un objet chaud émet de la chaleur même sans contact. C'est ce qui vous réchauffe le visage près d'un feu de camp, même hors du vent.
Ce sont là les trois seuls chemins par lesquels la chaleur s'échappe. Donc, si on bloque les trois, la chaleur ne peut plus sortir.
Transmettre la chaleur exige un intermédiaire. Le vide ne contient rien : ni transmission directe, ni air pour la transporter. On bloque ainsi les deux premiers chemins en même temps.
Le troisième chemin, la « chaleur invisible », traverse même le vide. On rend donc la paroi réfléchissante, pour renvoyer par réflexion la chaleur qui tente de sortir.
C'est tout ce que contient une bouteille thermos. Un objet d'une grande ingéniosité, mais très simple. Voyons cela en détail.
Le vide arrête deux chemins à la fois
Pour se transmettre directement, la chaleur a besoin d'un relais. Dans un métal, les atomes vibrent violemment et secouent leurs voisins pour transmettre la chaleur. Dans l'air, ce sont les molécules qui se heurtent pour la transmettre.
Mais dans le vide, il n'y a personne à qui passer le relais. C'est comme une course de relais sans coureur. La chaleur ne peut donc pas se transmettre directement.
Pour la même raison, l'air ne peut pas non plus transporter la chaleur en se déplaçant : il n'y a tout simplement pas d'air pour la transporter.
Une seule astuce bloque deux chemins à la fois. Voilà pourquoi on utilise le vide.
Les vêtements chauds réchauffent en emprisonnant de l'air, car l'air transmet mal la chaleur.
Mais la bouteille thermos, elle, retire même cet air. L'air transmet « mal » la chaleur, mais pas « pas du tout ». Pour aller jusqu'au bout, le mieux est de ne rien laisser du tout. Même sous le nom d'« isolation », le niveau visé change la réponse.
Le troisième chemin traverse même le vide
C'est ici que la bouteille thermos se révèle astucieuse. La « chaleur émise sans contact » traverse le vide sans problème.
Rappelez-vous que la chaleur du soleil arrive jusqu'à la Terre. L'espace est quasiment un vide, et pourtant on ressent la chaleur du soleil. Cette chaleur n'a besoin d'aucun intermédiaire.
Tout objet émet de la chaleur selon sa température. Le thé chaud ne fait pas exception : il rejette sans cesse de la chaleur vers l'extérieur. Faire le vide ne suffit pas à fermer ce chemin, il reste ouvert.
C'est pourquoi la bouteille thermos polit sa paroi intérieure comme un miroir. Si l'intérieur brille en argenté, ce n'est pas pour la décoration.
- Un miroir renvoie la chaleur qui l'atteint. La chaleur qui tentait de sortir est renvoyée
- Un miroir émet lui-même très peu de chaleur. Un métal bien poli peut en émettre des dizaines de fois moins qu'une surface noire
Une surface noire et rugueuse émet et absorbe beaucoup de chaleur. Une surface en miroir, c'est l'inverse. Si l'intérieur d'un thermos est argenté, c'est pour exploiter cette propriété.
La bouteille thermos les bloque tous les trois, séparément.
Elle finit tout de même par refroidir
La bouteille thermos n'est pas parfaite. Après une demi-journée ou une journée, elle tiédit forcément. Il reste un endroit qu'on ne peut pas fermer.
C'est l'embouchure et le bouchon. Impossible d'y faire le vide : c'est l'ouverture par laquelle on verse et remplit le contenu, forcément.
Le récipient intérieur et le récipient extérieur se rejoignent au niveau de l'embouchure. La chaleur passe peu à peu vers l'extérieur par ce col étroit. La plupart des efforts pour améliorer la performance d'une bouteille thermos visent justement cette zone : rendre le col plus fin et plus long, utiliser un matériau qui transmet mal la chaleur, creuser l'intérieur du bouchon.
Les astuces d'usage en découlent aussi.
- Préchauffer avec de l'eau chaude ― verser dans un récipient froid consomme d'abord de la chaleur pour réchauffer le récipient lui-même
- Remplir à ras bord ― une grande couche d'air à l'intérieur permet à la chaleur d'y circuler
- Ouvrir et fermer le moins possible ― chaque ouverture ouvre le plus grand des chemins d'échappement
- Le double vitrage ― deux vitres avec un gaz enfermé entre elles. Certaines ont en plus une fine pellicule métallique invisible, qui joue exactement le rôle du miroir de la bouteille thermos
- Le pare-soleil des télescopes spatiaux ― pour garder une température extrêmement basse, on utilise un immense bouclier thermique fait de plusieurs couches de film mince empilées. Plus il y a de couches, moins la chaleur transmise par rayonnement est importante
- Les récipients d'azote liquide ― l'ancêtre de la bouteille thermos. Inventé à la fin du 19e siècle pour des expériences de liquéfaction des gaz
- Les combinaisons spatiales et couvertures de survie ― l'éclat argenté sert à renvoyer la chaleur émise par le corps. Les couvertures de secours utilisées en cas de catastrophe suivent le même principe
- Les panneaux isolants sous vide ― utilisés dans les parois de réfrigérateurs ou de maisons. Leur fine épaisseur reste efficace grâce à ce même principe
À vérifier dans votre cuisine
- Versez la même quantité d'eau à la même température dans trois récipients : ① une tasse ordinaire ② une tasse enveloppée de papier aluminium et couverte ③ une bouteille thermos
- Mesurez la température de chacun après 30 et 60 minutes (un thermomètre de cuisine donnera un résultat précis)
- Observez de combien ② fait mieux que ①. Le papier aluminium et le couvercle réduisent le rayonnement et la convection
- Malgré tout, ② ne devrait pas égaler ③. Cet écart, c'est l'effet du « vide »
En comparant les trois, on voit chiffres à l'appui quel chemin a été bloqué, et dans quelle mesure. Même ② à lui seul fait une réelle différence : une astuce facile à réutiliser au quotidien. Attention aux brûlures, manipulez l'eau chaude avec précaution. Si un enfant participe, il est plus sûr de lui confier uniquement la lecture du thermomètre.
En résumé
Si la bouteille thermos ne refroidit pas, c'est parce qu'elle bloque, chacune d'une manière différente, les trois voies par lesquelles la chaleur s'échappe. Le vide arrête à la fois « la transmission directe » et « le transport par l'air », et la surface en miroir renvoie « la chaleur émise sans contact ». Il ne reste qu'un seul chemin d'échappement : l'embouchure et le bouchon.
Un objet bien conçu est souvent simple.
Il suffisait d'énumérer les chemins, puis de les fermer un par un.
La « chaleur émise sans contact » évoquée ici agit de façon particulièrement forte en extérieur : c'est le sujet détaillé de Pourquoi, près d'un feu de camp, seul le visage chauffe-t-il alors que le dos reste froid ?
L'idée que la « chaleur » n'est, au fond, que la vibration des particules qui composent la matière est abordée dans Pourquoi se réchauffe-t-on en se frottant les mains ?, où l'on part du mouvement pour arriver à la vibration.
Le même vide que celui des parois d'une bouteille thermos s'étend à perte de vue dans l'espace. Pour savoir si l'espace est vraiment un « lieu froid », voyez L'espace est-il vraiment froid ?
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux sujets de recherche actuels, chaque niveau est indiqué explicitement
- CollègeNiveau collège, programme de sciences
- LycéeNiveau lycée, « physique fondamentale »
- Lycée+Niveau lycée « physique », ou contenu complémentaire/encadré des manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (thermique)
- RechercheNon encore établi même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les modes de transfert de la chaleur
- Conduction : dans le texte, « transmission directe ». La chaleur se transmet de particule en particule au sein de la matière. Les métaux la transmettent bien, l'air mal.
- Convection : dans le texte, « transportée par l'air en mouvement ». Un gaz ou un liquide réchauffé se déplace, et transporte ainsi la chaleur elle-même.
- Rayonnement (rayonnement thermique) : dans le texte, « émis sans contact ». Il voyage sous forme d'onde électromagnétique, donc traverse même le vide. C'est ainsi que la chaleur du soleil nous parvient.
- Émissivité : la proportion de chaleur qu'une surface émet facilement. Une surface noire et rugueuse est proche de 1, un métal poli peut descendre sous 0,05.
- Vase Dewar : le nom scientifique de la bouteille thermos, en référence à son invention en 1892 pour des expériences à basse température.
LycéeVérification par le calcul : de combien de °C baisse l'eau d'une gourde en une heure ?
Le vide arrête à la fois la conduction et la convection. Il ne reste que le rayonnement. Et ce rayonnement, on peut le calculer.
P ＝ ε σ A (T⁴ − T₀⁴)
| P puissance de la chaleur perdue | en W (J par seconde) |
| ε émissivité | entre 0 et 1. Plus petite pour une surface en miroir |
| σ constante fixe | 5,67 × 10⁻⁸ |
| A surface | en m² |
| T et T₀ températures intérieure et extérieure | en kelvins [K] ＝ Celsius ＋ 273 |
Deux éléments comptent dans cette formule. D'abord, la puissance 4. Un petit écart de température change beaucoup la chaleur perdue. Ensuite, ε intervient comme simple facteur multiplicatif. Rendre la surface réfléchissante pour réduire ε réduit la chaleur perdue dans la même proportion.
Si la bouteille thermos est argentée, c'est pour abaisser ce ε. Ce n'est pas décoratif.
| Eau à 90 °C en kelvins | 90 ＋ 273 ＝ 363 K |
| Pièce à 20 °C en kelvins | 20 ＋ 273 ＝ 293 K |
| 363 à la puissance 4 | 363⁴ ≒ 1,74 × 10¹⁰ |
| 293 à la puissance 4 | 293⁴ ≒ 0,74 × 10¹⁰ |
| La différence | 1,74 − 0,74 ＝ 1,00 (× 10¹⁰) |
| Surface ordinaire (ε ＝ 1) | 5,67 × 10⁻⁸ × 1,00 × 10¹⁰ ≒ 567 W/m² |
| Surface en miroir (ε ＝ 0,05) | 567 × 0,05 ≒ 28 W/m² |
Un simple miroir divise par 20. C'est exactement la raison d'être de l'intérieur argenté.
| Surface de la gourde | A ＝ environ 0,06 m² |
| Puissance de la chaleur perdue | 28 × 0,06 ≒ 1,7 W |
| Chaleur perdue en 1 h (3600 s) | 1,7 × 3600 ≒ 6120 J |
| Chaleur pour baisser 500 g d'eau de 1 °C | 4,2 × 500 ＝ 2100 J |
| Baisse de température en 1 h | 6120 ÷ 2100 ≒ 2,9 °C |
Environ 3 °C en une heure. C'est pour cela que l'eau à 90 °C versée le matin est encore chaude à midi. Les chiffres montrent une fuite minime, à peine 1,7 W, comme une petite ampoule.
※ La surface et l'émissivité sont des valeurs indicatives. En réalité, le bouchon et l'embouchure laissent échapper davantage de chaleur (section suivante).
Que se passe-t-il avec la même gourde si l'eau est à 60 °C ? L'écart de température est environ moitié moindre qu'à 90 °C, mais la chaleur perdue ne diminue pas de moitié.
| 60 °C en kelvins | 60 ＋ 273 ＝ 333 K |
| 333 à la puissance 4 | 333⁴ ≒ 1,23 × 10¹⁰ |
| Différence | 1,23 − 0,74 ＝ 0,49 (× 10¹⁰) |
| Comparé à 90 °C | 0,49 ÷ 1,00 ＝ 0,49 fois |
Ici, la valeur est effectivement presque divisée par deux. Mais en montant davantage la température, les choses changent. La puissance 4 joue d'autant plus fort que la température est élevée. C'est aussi pourquoi l'eau bouillante refroidit le plus vite juste après avoir été versée.
Lire « proportionnel à la puissance 4 » ne suffit pas : c'est en insérant deux valeurs et en comparant qu'on en saisit le sens.
Lycée+Pourquoi le « col » est-il le point faible ?
On peut voir la résistance au transfert de chaleur comme la résistance électrique. Quand plusieurs chemins existent, ils se comportent comme des résistances en parallèle.
Dans un circuit parallèle, le courant se concentre sur le chemin de plus faible résistance. C'est pareil pour la chaleur : quelle que soit la résistance qu'on donne à la couche de vide, si la résistance du col est faible, c'est par là que la chaleur s'échappe.
C'est pourquoi on conçoit le col fin (section réduite), long (distance accrue), et fait d'un matériau qui transmet mal la chaleur. Tant qu'on ne renforce pas le maillon le plus faible, l'ensemble ne s'améliore pas : une leçon de conception qui vaut bien au-delà de ce cas.
UniversitéPourquoi empiler des couches est-il efficace ?
L'isolation des engins spatiaux utilise un isolant multicouche, fait de dizaines de films minces empilés, avec du vide entre chaque couche.
Le principe est simple. La chaleur transmise par rayonnement diminue à chaque couche réfléchissante ajoutée entre les deux surfaces. Idéalement, avec n couches, elle tombe à environ 1/(n+1). Avec dix couches, on descend en dessous d'un dixième.
Cette idée s'applique aussi aux fenêtres des habitations. Certains doubles vitrages, dotés sur une face d'un film réfléchissant l'infrarouge, laissent passer la lumière visible tout en renvoyant les rayons thermiques. En hiver, ils renvoient la chaleur intérieure ; en été, ils empêchent la chaleur solaire d'entrer. On peut y voir le miroir de la bouteille thermos, mais capable de faire le tri selon la longueur d'onde.
RechercheDes défis restent ouverts
- Le vide se dégrade peu à peu. Même le plus soigneusement scellé, un matériau laisse suinter du gaz, ou en laisse entrer de l'extérieur. Pour les panneaux isolants sous vide utilisés dans les bâtiments, évaluer s'ils gardent leur performance sur plusieurs décennies reste difficile. Des matériaux absorbant les gaz internes sont ajoutés comme parade, mais les données de long terme restent encore en cours d'accumulation.
- À très petite échelle, les règles habituelles changent. On pensait qu'il existait une limite théorique à la chaleur transmise par rayonnement, mais quand l'écart devient plus étroit que la longueur d'onde de la lumière, la chaleur transmise dépasse cette limite, comme le prévoit la théorie et le confirment les expériences. Ce phénomène se produit à l'échelle du nanomètre, où les règles habituelles de la bouteille thermos ne s'appliquent plus telles quelles. Des recherches sur la production d'électricité ou le refroidissement exploitant cet effet sont en cours, mais l'application reste en développement.
- Des composants qui ne laisseraient passer la chaleur que dans un seul sens sont également étudiés. L'électricité a sa diode, mais faire l'équivalent pour la chaleur n'est pas simple. Si cela se réalise, la notion même d'isolation thermique pourrait changer. Les performances restent encore limitées, loin d'une application pratique.
- Maintenir une température extrêmement basse sur la durée reste, lui aussi, un défi. Les télescopes spatiaux doivent conserver une température très basse pour leurs observations, en combinant bouclier thermique et système de refroidissement. La moindre fuite de chaleur nuit à l'observation, ce qui rend la conception extrêmement délicate.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : modes de transfert de la chaleur (conduction, convection, rayonnement) | Les trois chemins, le vide, le rôle du miroir |
| Lycée | Physique fondamentale : quantité de chaleur et transfert thermique | La loi en puissance 4, l'écart dû à l'émissivité |
| Lycée+ | Physique : thermodynamique (souvent en complément) | Résistances thermiques en parallèle, pourquoi le col est un point faible |
| Université | Thermique, ingénierie du bâtiment | Isolation multicouche, film à faible émissivité, rayonnement sélectif |
| Recherche | Transfert thermique à l'échelle nanométrique (non résolu) | Dégradation du vide, rayonnement en champ proche, diode thermique |
- Incropera, F. P. et al., Fundamentals of Heat and Mass Transfer (manuel de référence en thermique : émissivité, isolation multicouche).
- Dewar, J., Collected Papers on Low Temperature Research (invention du récipient à double paroi sous vide).
- Song, B. et al., Near-field radiative thermal transport, Nature Nanotechnology 10, 253–265, 2015 (transfert radiatif en champ proche).
- Documentation de la NASA sur le bouclier thermique du télescope spatial James Webb.
- Documents du Building Material Testing Center (建材試験センター, Japon) et de divers fabricants sur les performances des panneaux isolants sous vide et du double vitrage.
※ Les valeurs d'émissivité et de performance isolante varient selon les matériaux, produits et conditions. Cet article présente des ordres de grandeur couramment utilisés.
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du phénomène ; elles varient selon les produits et les conditions. Lors des observations impliquant de l'eau bouillante, faites très attention aux brûlures. Suivez le mode d'emploi fourni avec vos produits.