Pourquoi l’air emprisonné est-il un bon isolant thermique ?

L’air emprisonné constitue un isolant thermique efficace pour deux raisons : sa conductivité thermique est très faible, environ 0,026 W/(m·K) au voisinage de la température ambiante, et son confinement dans des espaces suffisamment petits permet de limiter fortement les mouvements d’ensemble de l’air et la convection naturelle.

Dans ces conditions, la chaleur traverse l’air principalement par conduction en phase gazeuse, un mécanisme relativement peu efficace, tandis que les échanges par convection sont réduits au minimum.

De nombreux systèmes d’isolation reposent sur ce principe : le duvet, la polaire, les mousses, les vitrages isolants et les matériaux nanoporeux créent et stabilisent de petits volumes d’air relativement immobile.

Toutefois, l’air emprisonné n’assure une isolation efficace que dans des conditions appropriées.

I. Quelles conditions permettent à l’air emprisonné de bien isoler ?

1. Des espaces suffisamment petits pour limiter la convection

L’air possède une faible conductivité thermique, mais il peut circuler à l’intérieur de cavités grandes ou ouvertes.

En présence d’une différence de température, l’air plus chaud devient moins dense et s’élève, tandis que l’air plus froid descend. Ce mouvement dû à la poussée d’Archimède engendre une convection naturelle, qui peut augmenter considérablement le transfert de chaleur.

Lorsque la cavité est suffisamment petite, une circulation à grande échelle devient difficile à établir. L’air reste alors relativement immobile, ce qui permet de tirer parti de sa faible conductivité thermique.

Les matériaux isolants utilisent donc généralement les structures suivantes plutôt qu’une seule grande cavité d’air :

• de petits pores ;

• des réseaux de fibres fins ;

• des cellules fermées ;

• plusieurs fines lames d’air.

2. Des espaces qui restent relativement secs

L’humidité peut modifier sensiblement les performances d’isolation.

Au voisinage de la température ambiante, la conductivité thermique de l’air immobile est d’environ 0,026 W/(m·K), contre environ 0,6 W/(m·K) pour l’eau liquide. La conductivité thermique de l’eau est donc plus de 20 fois celle de l’air immobile.

Si l’eau pénètre dans la structure poreuse et remplace l’air qui s’y trouve, la conductivité thermique effective de l’isolant peut augmenter fortement.

L’ampleur de cet effet dépend notamment :

• de l’absorption d’eau ;

• de la répartition de l’humidité ;

• de la structure poreuse ;

• du caractère hydrophile ou hydrophobe du matériau ;

• de son comportement au séchage.

Une gestion adaptée de l’humidité est donc importante pour les systèmes d’isolation poreux et fibreux.

3. Une température adaptée au système isolant

La conductivité thermique de l’air n’est pas constante. Elle augmente généralement avec la température.

À des températures basses à modérées, l’air emprisonné peut assurer une isolation très efficace. À des températures plus élevées, les transferts par rayonnement prennent toutefois davantage d’importance. Le confinement de l’air peut alors ne plus suffire.

Les systèmes d’isolation destinés aux hautes températures peuvent nécessiter des éléments complémentaires, tels que :

• des opacifiants infrarouges ;

• des surfaces réfléchissantes ;

• des couches à faible émissivité ;

• des structures céramiques ;

• des barrières thermiques multicouches.

La plage de température utilisable dépend non seulement de l’air contenu dans la structure, mais aussi de la tenue en température du matériau qui l’entoure.

4. Une structure capable de maintenir l’air en place

L’air ne possède pas de résistance mécanique propre. Il faut donc une structure pour le répartir et le stabiliser dans de petites zones.

Cette structure peut être constituée :

• de fibres ;

• de parois de cellules en polymère ;

• d’ossatures minérales ;

• de squelettes nanoporeux.

Cependant, les éléments solides de cette structure constituent eux-mêmes des voies de conduction thermique.

La conception du matériau doit donc répondre à un enjeu essentiel : conserver autant que possible le gaz à faible conductivité thermique, tout en limitant les chemins de conduction superflus dans la phase solide.

Une structure isolante performante doit ainsi concilier porosité élevée, stabilité structurelle, petite taille des pores et faible conduction dans la phase solide.

II. Pourquoi l’air emprisonné réduit-il les transferts de chaleur ?

La chaleur se transmet selon trois mécanismes fondamentaux : la conduction, la convection et le rayonnement.

Le confinement de l’air agit principalement sur la conduction et la convection. La structure environnante peut également modifier les transferts par rayonnement.

1. Une faible conduction thermique en phase gazeuse

Dans un gaz, la conduction thermique résulte du mouvement des molécules et de leurs collisions. Les molécules y sont beaucoup plus espacées que les particules dans un solide, ce qui rend le transfert d’énergie relativement peu efficace.

Les gaz présentent donc généralement une conductivité thermique bien inférieure à celle des solides denses.

Quelques ordres de grandeur permettent de situer cette différence :

• air immobile : environ 0,026 W/(m·K) ;

• eau : environ 0,6 W/(m·K) ;

• béton : environ 1–2 W/(m·K) ;

• acier au carbone : quelques dizaines de W/(m·K) ;

• cuivre : quelques centaines de W/(m·K).

Remplacer une partie du volume solide d’un matériau par du gaz emprisonné peut ainsi réduire sensiblement sa conductivité thermique globale.

2. Une forte limitation de la convection

Dans une grande cavité ouverte, l’air peut circuler et transporter efficacement la chaleur. Dans une petite cavité fermée, les parois limitent au contraire les mouvements d’ensemble du gaz.

Lorsque les dimensions caractéristiques sont suffisamment petites, la circulation due à la poussée d’Archimède s’affaiblit et la convection naturelle peut être fortement réduite.

L’efficacité de cette réduction dépend de plusieurs facteurs :

• la taille de la cavité ;

• son orientation ;

• la différence de température ;

• les propriétés du gaz ;

• la pression.

En ingénierie, la tendance à l’apparition de la convection naturelle est souvent décrite à l’aide du nombre de Rayleigh.

3. L’effet Knudsen à l’échelle nanométrique

Lorsque les pores deviennent extrêmement petits, un autre mécanisme entre en jeu.

À température ambiante et à pression atmosphérique, le libre parcours moyen des molécules d’air est de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. Il est couramment estimé à environ 70 nm.

Lorsque la taille des pores devient comparable à cette distance, les collisions entre les molécules de gaz et les parois des pores prennent davantage d’importance par rapport aux collisions entre molécules. Le transport de chaleur dans la phase gazeuse est alors moins efficace.

Ce phénomène est associé à l’effet Knudsen.

La contribution de la phase gazeuse à la conductivité thermique peut ainsi devenir inférieure à celle de l’air immobile dont le transport thermique n’est pas limité par les parois de pores étroits.

C’est l’une des raisons pour lesquelles les aérogels de silice et d’autres systèmes d’isolation nanoporeux peuvent atteindre des conductivités thermiques inférieures à environ 0,026 W/(m·K).

4. Une influence possible sur le rayonnement

Les isolants poreux peuvent également modifier les transferts par rayonnement, mais cet effet dépend fortement du matériau.

Les principaux facteurs qui interviennent sont :

• la température ;

• l’absorption infrarouge ;

• la diffusion du rayonnement ;

• la composition du matériau ;

• l’épaisseur optique ;

• l’émissivité des surfaces.

Certains systèmes poreux intègrent des composants qui absorbent ou diffusent le rayonnement infrarouge afin de réduire les transferts radiatifs.

La présence de pores ne garantit toutefois pas, à elle seule, une forte protection contre le rayonnement thermique.

III. Les mécanismes essentiels de l’isolation par l’air

L’effet isolant de l’air emprisonné repose sur trois éléments :

Faible conductivité thermique du gaz + convection limitée + confinement par la structure.

Dans les systèmes nanoporeux, l’effet Knudsen peut réduire davantage les transferts de chaleur en phase gazeuse.

Selon la conception du matériau, une diminution des transferts par rayonnement peut également contribuer à l’isolation.

IV. Conductivité thermique de matériaux courants

Les valeurs suivantes sont des ordres de grandeur et des plages indicatives utilisés en ingénierie, au voisinage de la température ambiante.

Ces valeurs varient selon la température, la masse volumique, la teneur en humidité, la pression, la structure du matériau et la méthode d’essai.

Elles doivent donc être considérées comme des références approximatives, et non comme des constantes universelles.

V. Quelques repères physiques

Au voisinage de la température ambiante et à pression atmosphérique :

• la conductivité thermique de l’air immobile est d’environ 0,026      W/(m·K) ;

• le libre parcours moyen des molécules d’air est d’environ 70 nm      ;

• la conductivité thermique de l’eau liquide est d’environ 0,6      W/(m·K).

Pour la convection naturelle dans une cavité fermée, un nombre de Rayleigh critique est souvent utilisé comme référence technique. Le seuil exact dépend néanmoins de la géométrie et des conditions aux limites.

VI. Exemples d’isolation utilisant de l’air ou du gaz emprisonné

1. Les vitrages isolants

Les doubles et triples vitrages comportent des lames de gaz enfermées entre les vitres.

Ces lames réduisent les transferts de chaleur en :

• créant une zone de gaz à faible conductivité thermique ;

• limitant la convection naturelle ;

• augmentant la résistance thermique globale.

L’argon est souvent utilisé à la place de l’air, car sa conductivité thermique peut être encore plus faible dans des conditions appropriées.

Le principe reste identique : une couche de gaz stable et confinée réduit les transferts de chaleur.

2. Les vêtements en duvet

Le duvet n’isole pas principalement parce que ses fibres de kératine opposeraient, à elles seules, une résistance exceptionnelle au flux de chaleur.

Son efficacité provient surtout de sa structure tridimensionnelle très ramifiée, qui crée un grand nombre de petits espaces d’air.

Un duvet plus gonflant peut retenir davantage d’air tout en conservant un poids relativement faible. C’est pourquoi le pouvoir gonflant, ou fill power, est étroitement lié au volume et à la capacité de gonflement de la structure du duvet.

3. Le polystyrène expansé

Le polystyrène expansé, ou PSE, également désigné par le sigle anglais EPS, contient une très forte proportion de cellules remplies de gaz.

Le polymère solide n’occupant qu’une faible partie du volume total, la conductivité thermique effective du matériau est bien inférieure à celle du polystyrène massif.

La conductivité thermique typique du PSE se situe autour de 0,030–0,038 W/(m·K), selon sa masse volumique, la température et la formulation du produit.

4. Les aérogels

L’aérogel de silice présente une très forte proportion de pores nanométriques. Sa structure associe :

• une très faible proportion de matière solide ;

• une conduction en phase gazeuse fortement limitée ;

• une convection inhibée ;

• des effets de confinement dans les nanopores.

Certains aérogels de silice peuvent ainsi atteindre une conductivité thermique d’environ 0,013–0,020 W/(m·K) dans des conditions d’essai appropriées.

VII. Domaines d’application

1. L’isolation des bâtiments

De nombreux systèmes d’isolation des bâtiments reposent sur la présence de gaz retenu dans leur structure, notamment :

• les mousses de polyuréthane ;

• le PSE ;

• les laines minérales ;

• les isolants en fibres de verre ;

• les vitrages isolants.

Leurs structures répartissent l’air ou un autre gaz dans de petites zones, ce qui limite la convection et réduit les transferts de chaleur.

2. Les vêtements de plein air

Le duvet, les isolants synthétiques, la polaire et de nombreux autres systèmes d’isolation textile utilisent eux aussi largement l’air emprisonné.

Les réseaux de fibres créent de petits espaces d’air et limitent les mouvements de l’air.

Cependant, les isolants traditionnels qui reposent sur le gonflant nécessitent souvent une épaisseur importante pour retenir suffisamment d’air et atteindre la résistance thermique recherchée.

La conception doit donc concilier protection thermique, épaisseur, poids et liberté de mouvement.

3. Les isolants nanoporeux souples

Les matériaux nanoporeux souples appliquent le principe du gaz confiné à des échelles beaucoup plus petites.

Au lieu de reposer principalement sur une épaisseur gonflante de l’ordre du centimètre, ils utilisent des structures à pores fins pour réduire les transferts thermiques en phase gazeuse dans une couche nettement plus mince.

Certains produits Y‑Warm, par exemple, ont une épaisseur d’environ 0,7 mm. Ils sont conçus pour des applications où plusieurs critères doivent être pris en compte simultanément :

• une faible épaisseur ;

• la souplesse ;

• une faible conductivité thermique ;

• l’aptitude à la transformation ;

• la gestion de l’humidité.

Leur principal avantage technique réside dans une résistance thermique élevée par unité d’épaisseur.

Cela ne signifie pas qu’une couche de 0,7 mm puisse remplacer dans toutes les situations un système isolant en duvet ou en matériau synthétique beaucoup plus épais.

Les performances réelles dépendent de la construction complète du produit et de ses conditions d’utilisation.

4. Les applications industrielles et aérospatiales

Les nappes isolantes à base d’aérogel, les systèmes d’isolation sous vide et les isolants multicouches sont utilisés dans des environnements thermiques exigeants.

Ils peuvent combiner plusieurs mécanismes :

• limiter la conduction dans la phase gazeuse ;

• inhiber la convection ;

• réduire la conduction dans la phase solide ;

• réfléchir ou atténuer le rayonnement thermique.

À très haute température ou sous vide, le rayonnement peut devenir particulièrement important.

Conclusion

L’air emprisonné est un bon isolant parce que sa conductivité thermique est faible et que la convection naturelle diminue fortement lorsque ses mouvements sont limités.

L’efficacité repose sur de petits volumes d’air relativement immobile, maintenus par une structure stable.

À une échelle encore plus fine, les structures nanoporeuses peuvent réduire davantage les transferts en phase gazeuse grâce à l’effet Knudsen. Elles peuvent ainsi permettre d’atteindre des conductivités thermiques inférieures à celle de l’air immobile non confiné.

Du duvet aux mousses, en passant par les aérogels et les matériaux nanoporeux souples, de nombreuses technologies d’isolation reposent sur une même idée : limiter les mouvements de l’air, réduire les voies de transfert de chaleur et préserver la stabilité de la structure isolante.

FAQ — Questions fréquentes

1. Pourquoi les vêtements mouillés donnent-ils davantage froid ?

Lorsqu’un isolant est mouillé, l’eau liquide peut remplacer une partie de l’air présent dans sa structure. Comme l’eau conduit beaucoup mieux la chaleur que l’air, la conductivité thermique effective peut augmenter.

L’évaporation absorbe également de l’énergie sous forme de chaleur latente, prélevée sur le corps ou à la surface du matériau.

Ces deux mécanismes peuvent accentuer la sensation de froid.

2. Une lame d’air plus épaisse isole-t-elle toujours mieux ?

Non. L’augmentation de l’épaisseur d’une lame d’air accroît d’abord sa résistance thermique. Toutefois, si la cavité devient suffisamment grande, une convection naturelle peut se développer.

Lorsque la circulation d’ensemble de l’air devient importante, le transfert de chaleur peut augmenter.

C’est pourquoi de nombreux systèmes d’isolation divisent les grands volumes en plusieurs couches minces, petites cellules ou pores fins, au lieu d’utiliser une seule grande cavité.

3. Quel matériau isole le mieux : le duvet, l’aérogel ou les matériaux nanoporeux ?

Il n’existe pas de réponse valable pour toutes les applications. Le choix dépend des priorités de conception.

Le duvet offre un excellent rapport entre protection thermique et poids, à condition de conserver un gonflant suffisant. L’aérogel peut présenter une très faible conductivité thermique et une résistance thermique élevée par unité d’épaisseur. Les matériaux nanoporeux souples peuvent être avantageux lorsque la faible épaisseur, la souplesse et l’aptitude à la transformation sont essentielles.

Une comparaison pertinente doit prendre en compte la conductivité thermique, l’épaisseur, le poids, l’humidité, la compression, la souplesse, la durabilité et la conception globale du système.

4. Un matériau de 0,7 mm d’épaisseur peut-il réellement isoler ?

Oui. Pour une couche homogène :

R = d / λ

R désigne la résistance thermique, d l’épaisseur et λ la conductivité thermique.

Un matériau mince à très faible conductivité thermique peut offrir une résistance thermique nettement supérieure à celle d’un textile ordinaire de même épaisseur.

Toutefois, une épaisseur de 0,7 mm ne suffit pas nécessairement à toutes les applications. Son adéquation dépend notamment :

• de la différence de température ;

• de la durée d’exposition ;

• du vent ;

• de l’humidité ;

• du niveau d’activité ;

• de la construction du vêtement ;

• des autres couches isolantes.

L’intérêt principal réside donc dans l’efficacité isolante par unité d’épaisseur. Il ne s’agit pas d’un remplacement universel des isolants épais.

5. L’air emprisonné peut-il s’échapper avec le temps ?

Cela dépend de la structure.

Dans les systèmes à cellules fermées, le gaz est physiquement confiné à l’intérieur des cellules. Dans les structures fibreuses, comme le duvet ou la polaire, l’air n’est pas enfermé de manière permanente : la structure recrée continuellement des zones d’air relativement immobile.

Une baisse des performances au fil du temps peut résulter :

• de la compression ;

• du feutrage des fibres ;

• de la détérioration des cellules ;

• de l’affaissement de la structure ;

• de l’accumulation d’humidité ;

• de la diffusion des gaz dans certaines mousses.

La performance à long terme dépend donc de la stabilité de la structure qui forme et maintient ces volumes de gaz.