Thermodynamique de base

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La thermodynamique est une science vaste qui peut expliquer un nombre incroyable de choses. Nous, nous allons nous pencher un tout petit peu dessus pour nous aider à comprendre comment conserver notre température corporelle au plus près de 37°C.

D'un côté, notre corps produit de la chaleur par son métabolisme et son activité musculaire. De l'autre côté, il en perd ou il en gagne par la peau, par ce que nous avalons et par la respiration. Tout va bien lorsqu'il arrive à produire autant de chaleur qu'il en perd, car alors notre température centrale reste constante. Dans le cas contraire, on risque l'hypothermie ou l'hyperthermie. Si nous comprenons comment nous perdons et gagnons de la chaleur, alors nous pourrons influencer ou anticiper le processus et ainsi faciliter le maintien de la précieuse température corporelle.

C'est pourquoi nous allons nous parler un peu des transferts de chaleur.

NB : La thermodynamique nous dit que la chaleur va toujours spontanément d'un corps chaud vers un corps froid. Il n'y a jamais de "froideur" qui irait d'un corps froid à un corps chaud, la froideur n'existe pas. Si on a l'impression d'avoir la main gagnée par le froid quand on serre un gros glaçon qui sort du congélateur, c'est parce que notre main donne de la chaleur au glaçon. Or un objet qui donne de la chaleur se refroidit.

La chaleur peut circuler de différentes manières. C'est ce qu'on appelle les modes de transfert.

Comme tout objet physique, le corps perd et gagne de la chaleur selon trois (plus un) modes :

• par radiation
• par conduction
• par convection
• les physiciens purs et durs me pardonneront l'abus et j'ajouterai : par évaporation

Les zones où ces transferts de chaleur ont lieu sont :

• la peau, partout où de gros vaisseaux sanguins affleurent : tête, cou, aine, torse, pour l'essentiel ; bras et jambes dans une moindre mesure
• la respiration
• l'intérieur du corps, lorsque l'on avale des liquides chauds ou froids

Quel que soit le mode, la quantité de chaleur transférée est proportionnelle à la surface exposée. C'est par exemple pourquoi lorsqu'on a froid on se met naturellement en boule, parce que la boule offre une surface réduite qui diminue la perte de chaleur vers l'extérieur. Inversement, pour se réchauffer au soleil on s'étire de tout son long, pour augmenter le transfert de chaleur qui cette fois se fait du soleil vers notre corps.

Sommaire 1 Radiation 2 Conduction 3 Convection 4 Évaporation

Radiation

La théorie

Tout objet tend spontanément à se refroidir en se vidant de son énergie sous forme de rayons infrarouges. Plus l'objet est chaud, plus il émet une chaleur intense sous forme de rayons infrarouges et plus il se refroidit vite. Réciproquement, tout objet qui reçoit des rayons infrarouges d'un autre objet tend à se réchauffer. On appelle ça la loi de Stefan-Boltzmann, du nom des physiciens qui ont découvert le phénomène et su le quantifier.

Mais au fait, que sont réellement les rayons infrarouges (IR) ? Il s'agit tout simplement de lumière, une lumière que nos yeux ne peuvent pas voir mais que notre peau sait sentir à partir d'une certaine intensité. Donc pour raisonner sur les rayons infrarouges et comprendre où ils vont aller et ce qu'ils vont faire, il suffit de raisonner en termes de lumière visible et on aura tout juste, à ceci près que chaque objet joue le rôle d'ampoule, et ce d'autant plus qu'il est plus chaud.

Le rayonnement infrarouge peut transférer la chaleur très vite ! Ainsi, si on approxime que la peau est à 32°C et que sa surface est de deux mètres carré, l'émission IR de notre corps correspond à près de 1 000 watts ! Nous éclairons autant que dix halogènes domestiques ; dommage que nos yeux ne sachent pas voir toute cette lumière, parce qu'alors nous ne connaîtrions jamais l'obscurité. Cela dit, lorsqu'on sait qu'au repos un individu moyen produit autour de 70 watts par son métabolisme, et que les grands sportifs arrivent à près de 400 watts lors d'un effort en endurance intense (on a estimé que c'est ce que produit Lance Armstrong dans la montée de l'Alpe d'Huez), on voit que la dépense d'énergie ne serait pas soutenable et le refroidissement inéluctable s'il n'y avait autour de nous tout un tas d'autres objets qui eux mêmes sont à une certaine température et émettent donc eux mêmes des rayonnements infrarouges dont nous captons une partie, qui vient nous apporter une énergie qui compense celle que nous perdons en rayonnant. Quand on sait qu'un morceau de glace à 0°C qui ferait lui aussi deux mètres carré émet déjà pour 600 watts de rayonnement, on comprend qu'on n'a pas à craindre de voir sa précieuse chaleur s'échapper trop vite à cause des vilains IR.

Pour finir avec la théorie sur les IR, il est utile de savoir que, en simplifiant un peu, un objet les absorbe d'autant mieux qu'il est sombre, et les réfléchit d'autant plus qu'il est clair. C'est pourquoi je préfère avoir un chapeau clair, mais que mon sac de couchage est sombre pour que je puisse facilement le réchauffer au soleil et le sécher ainsi.

La pratique

Il nous faut garder à l'esprit ces rayons, et tâcher de nous en servir à bon escient.

Si vous êtes en short, rapprochez vos deux jambes, sans les faire toucher mais presque. Vous sentez ? Il fait un peu meilleur à l'intérieur des mollets qu'à l'extérieur. C'est parce que les jambes se réchauffent mutuellement. C'est cette même douce chaleur que nous ressentons lorsque notre visage est près de celui de l'être aimé ; finalement les rayons infrarouges sont plutôt une bonne chose ! Tout comme une partie de notre corps peut en réchauffer doucement une autre grâce aux IR, notre corps réchauffe aussi les vêtements que nous portons en partie grâce à ces rayons.

Nous pouvons essayer de perdre un peu moins de chaleur par rayonnement en retenant les rayons que nous émettons et en les réfléchissant vers nous à l'aide d'une surface miroir. C'est le principe du poncho métallisé à l'intérieur. C'est aussi le principe du tapis-de-sol-pare-soleil, à ceci près que malheureusement dans le cas d'un tapis de sol le mode de transfert dominant est la conduction, pas le rayonnement, et que le tapis-de-sol-pare-soleil répond donc un peu à côté de la question.

Quand nous dormons devant un feu, nous avons tout intérêt à nous allonger en lui faisant face, et non pas en lui présentant nos pieds ou le haut de notre crâne. De cette manière, une grande partie de notre corps sera à la lumière, et je viens de dire que les infrarouges se comportent comme la lumière ! Donc une grande partie de notre corps recevra des IR, on augmentera notre surface de transfert et donc la quantité de chaleur reçue. On sera bien. On aura d'autant plus chaud qu'on est près du feu, évidemment, et on comprend pourquoi quand on se rappelle que près d'un feu il y a plus de lumière que loin du foyer, et donc aussi plus d'infrarouges.

Je parle des mollets en short, je parle du feu, et ça me fait penser que ce sont aussi les rayons IR qui expliquent qu'une bûche solitaire refusera éventuellement de brûler quand deux bûches parallèles feront une belle flambée : tout comme les mollets, les bûches se réchauffent l'une l'autre comme elles s'éclairent, chacune perd alors moins de chaleur que si elle était seule, et elle reste suffisamment chaude pour entretenir la combustion.

Conduction

La conduction, c'est le mode de transfert de la chaleur qui agit quand nous touchons directement un objet plus chaud ou plus froid que notre peau.

La conduction communique souvent la chaleur plus vite que les rayonnements infrarouges. Son importance dépend des matériaux mis en jeu ; par exemple, la conduction sera plus importante entre la peau et un morceau de métal qu'entre la peau et un morceau de bois ; c'est pourquoi le métal donne l'impression d'être plus froid que le bois, même s'ils sont strictement à la même température.

Il faut se méfier de la conduction lorsqu'on s'appuie sur un objet trop froid ou trop chauffé au soleil, lorsque l'on s'allonge par terre. Comme la conduction est très efficace, même dans une ambiance tempérée le sol peut devenir un grand dévoreur de calories. Tant que le sol et le corps sont réchauffés par la lumière du soleil, même si ce n'est que la lumière qui arrive à percer les nuages, on ne se rend pas compte à quel point le sol est vraiment froid. Mais la nuit, lorsque les IR du soleil ne nous aident plus, le sol montre son vrai visage, et quiconque a déjà essayé de dormir à même le sol, ne serait-ce que par une nuit d'été dans une prairie dans les collines et avec un petit sac de couchage estival, sait à quel point on peut avoir froid même quand l'air ambiant a l'air doux.

On évitera encore plus de dormir contre une pierre glacée (déjà vu !), dont la surface lisse et le matériau conduisent très bien la chaleur.

Pour se protéger de la conduction, on utilise les objets qu'on dit isolants. Typiquement, ce sont des objets emplis d'air immobilisé, parce que les gaz immobilisés ralentissent bien les transferts de chaleur pour une raison expliquée dans la section "convection". L'exemple typique est le tapis de sol en mousse, dont l'intérieur est fait de milliers de petites bulles d'air et qui est très efficace pour s'isoler du sol. Faute de tapis de sol, on peut s'asseoir ou s'allonger sur son sac à dos, sur une corde lovée, sur un tas de branchages de conifères ou sur des feuilles mortes empilées, sur tout objet qui emprisonne un peu d'air.

Certains objets isolants emprisonnent partiellement l'air, mais le laissent un peu circuler quand même. C'est le cas des sacs de couchages, des couvertures et des vêtements en général. Ces objets là sont efficaces tant qu'on les porte, mais ils n'isolent plus aussi bien si on s'appuie dessus, parce que l'air qu'ils emprisonnent s'échappe lorsqu'on les écrase tout comme l'eau s'échappe d'une éponge qu'on presse. Par ailleurs, si on se trouve dan s un endroit venteux, le vent chasse la couche d'air emprisonnée dans le vêtement ou le sac de couchage et là encore son efficacité est réduite à néant. On parle de ça tout de suite.

Convection

On appelle convection les transferts de chaleur entre un solide et un fluide, par exemple entre notre corps et l'air ambiant, ou entre notre corps et l'eau dans laquelle nous nous baignons parce que nous sommes à la plage ou parce que nous sommes tombés de notre bateau en voulant vider notre vessie par dessus le bastingage.

La convection ressemble à la conduction parce qu'il y a un contact direct entre le corps et le fluide. S'il ne s'agissait que de cela, nous ne perdrions presque pas de chaleur dans l'air, car l'air la conduit très mal. Dans l'eau, nous nous refroidirions un peu plus vite, puisque l'eau conduit quinze fois mieux la chaleur que l'air sec.

Mais ce raisonnement ne suffit pas. La différence entre la conduction et la convection, c'est qu'un fluide est toujours en mouvement. Qu'est-ce que ça change ?

Si je mets un gros galet froid dans mon sac de couchage, il va d'abord me refroidir à cause de la conduction entre mon corps et cette pierre ; mais au bout d'un moment, mon corps aura réchauffé le galet et je ne sentirai plus de froid désagréable là où ma peau est en contact avec le caillou. C'est parce que le caillou a conservé la chaleur que je lui ai donnée. Les fluides comme l'eau ou l'air, eux, ne gardent pas cette chaleur, pour la simple et bonne raison qu'ils circulent autour de nous et que si je réchauffe une parcelle d'air à un instant, l'instant d'après cette parcelle ne sera plus contre moi et une autre l'aura remplacée, que je devrai réchauffer aussi. Et ainsi, l'air autour de moi est toujours aussi froid.

Dès qu'on a à faire à de la convection, plus le fluide se déplace vite plus le transfert de chaleur est important. C'est pourquoi on a plus froid dans le vent que dans une tente, même si au départ il y fait la même température. C'est aussi pourquoi les vêtements coupe-vent sont primordiaux, qu'il s'agisse d'un gore-tex ou d'un k-way tout bête.

La convection a lieu quand nous sommes dans le vent ou quand nous bougeons, mais pas seulement. Même si je reste parfaitement immobile dans un endroit fermé sans aucun courant d'air, l'air va se déplacer à cause de ma chaleur. En effet, je chauffe l'air contre ma peau ; or on sait que l'air chaud est plus léger que l'air froid. L'air que je viens de réchauffer contre moi va s'élever et me quitter, et être remplacé par de l'air froid que je vais devoir réchauffer, qui me quittera ingratement lui aussi dès qu'il sera chaud et ainsi de suite... il se forme ainsi autour de nous un courant d'air ascendant qui peut atteindre trois ou quatre kilomètres par heure lorsque la température ambiante est de -20°C. C'est pourquoi on a intérêt à se mettre dans un endroit confiné, afin que l'air que nous avons réchauffé ne s'en aille pas trop loin. De plus l'endroit doit être isolé parce que sinon, par exemple dans une petite grotte, cet air chaud va communiquer sa chaleur par convection aux parois de pierre qui conduisent très bien la chaleur, et je devrai perpétuellement le réchauffer.

Évaporation

Tout fluide en contact avec de l’air a tendance à s’évaporer, c’est-à-dire à se transformer partiellement en vapeur. En effet, dans les conditions naturelles de température et de pression, à chaque interface entre un fluide et de l’air, une infime partie du fluide se vaporise, et se mélange avec l’air, créant une couche intermédiaire.

On peut ainsi définir une pression, appelée pression de vapeur saturante, qui dépend du fluide et de la température. Si la vapeur produite a une pression spécifique (c'est-à-dire la pression comme s’il n’y avait pas d’air mélangé à elle) inférieure à cette pression de vapeur saturante, le liquide se vaporise, faisant ainsi remonter la pression spécifique jusqu’à ce qu'elle atteigne la valeur saturante. Si la pression spécifique de la vapeur est supérieure à la valeur de saturation, une partie de la vapeur va se condenser, jusqu’à ce qu’on revienne à la valeur saturante.

Toutefois, en extérieur, la vapeur produite va avoir tendance à quitter le contact du liquide par deux phénomènes : migration (la vapeur se propage dans l’air) et déplacement à cause du vent. L’air au contact du liquide va donc constamment s’appauvrir en vapeur, et le fluide va donc constamment se vaporiser pour compenser la baisse de pression spécifique, jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de liquide. C’est l’évaporation.

L’évaporation est aussi ce qui fait que quelqu’un qui sera mouillé ressentira une sensation de froid s’il y a du vent. En effet, le vent force le liquide à se vaporiser. Toutefois, cette vaporisation demande de l’énergie (c’est pour ça qu’il faut chauffer l’eau pour qu’elle bouille !), et cette énergie est obtenue en pompant la chaleur de ce qui est proche du fluide, c’est-à-dire nous !

L’évaporation explique aussi pourquoi quelque chose séchera mieux en plein vent qu’enfermé dans un sac en plastique.