Démarches expérimentales

Pour ce TPE nous avons cherché à comparer les performances de trois isolants de natures différentes pour nous aider à répondre à la problématique :
le polystyrène (isolant synthétique), la laine de verre (isolant minéral), le carton (isolant synthétique et naturel).
Pour réaliser l’expérience nous avons réalisé une maquette. Mais en premier lieu un schéma pour nous donner une idée de sa forme (schéma qui ne respecte pas une échelle spéciale) :

Calcul du volume de la maquette :

  • Largeur : 40cm- (épaisseur BA13*2 soit 3*2+ les 5cm pour la fente) = 40-6-5 = 29cm
  • Hauteur : 30cm
  • Longueur : 40cm- (épaisseur BA13*2 soit 3*2+ les 5cm pour la fente) = 40-6-5 = 29cm

Ainsi Volume intérieur =  L*l*h = 29*29*30 = 25 230 cm³

Calcule de l’aire intérieure de la maquette :

  • Longueur : 40cm- (épaisseur BA13*2 soit 3*2+ les 5cm pour la fente) = 40-6-5 = 29cm
  • Largeur : 40cm- (épaisseur BA13*2 soit 3*2+ les 5cm pour la fente) = 40-6-5 = 29cm

Ainsi aire interne = L*l = 29*29 = 841cm²

I. Matériel :

  • Planches de placo (BA13)
  • Rails en fer
  • Visseuse
  • Perceuse
  • Vis

II. Protocole :

II.a Pour la maquette :

  • Découper les planches de placo en suivant les dimensions du schéma
  • Assembler à l’aide de vis les 4 murs et le sol
  • Construire les cloisons en insérant les rails de fer le long des murs
  • Fermer les cloisons en rajoutant en face des 4 murs (4 autres planche de placo)

Pose des rails

Vu global de la maquette

II.b Pour le couvercle :

  • Découper deux plaques de placo plus grandes que les extrémités de la maquette
  • Placer entre les deux plaques un isolant (ici nous avons pris du carton)
  • Fixer le tout avec de la colle et/ou du scotch

Le couvercle avec l’isolant pré-défini

III. Déroulement des expériences (général) :

Il nous a fallut une température extérieur faible, nous avons donc réalisé l’expérience sur un balcon, le soir. Pour remplacer le chauffage intérieur d’une maison, nous avons utilisé quatre bougies. La température à l’intérieur de la maquette était donc de 17,5°C.

Pour isoler les murs de notre maquette nous avons utilisé le principe d’ITI c’est à dire l’isolation des murs par l’intérieur. Nous avons donc inséré les isolants les uns après les autres dans les cavités prévues à cette effet. Nous avons ensuite mesuré  la température intérieure pour chaque isolant utilisé.

IV. Calcul de la résistance thermique et observations :

Formule de la résistance : R = e/λ

e : en mètre (m)
λ : en W/mK 
R en m2.K/W 
  1. Les coefficients de conductivités λ ont été mesuré en laboratoire et sont constants.
  2. L’épaisseur pour les trois isolants est de 5cm soit 0,05m.

Résultats trouvés pour les trois isolants :

  • Carton :
    R= 0,05/0,11
    R≈ 0,45 m2.K/W
  • Laine de verre :
    R= 0,05/0,045
    R≈1,11 m2.K/W
  • Polystyrène :
    R= 0,05/0,035
    R≈1,43 m2.K/W

Nous savons que plus la résistance thermique d’un matériau est grande, plus il est isolant.
Après avoir calculé leurs résistances thermiques, on peut les classer dans l’ordre croissant selon leur degré d’isolation :

  1. polystyrène
  2. laine de verre
  3. carton

Bien que ces trois matériaux soient utilisés pour l’isolation, on constate que les résistances thermiques calculées sont relativement faibles. On peut se demander pourquoi ?
Cela est dû à un problème d’épaisseur. En effet la largeur de notre cloison, (où sont intercalés les isolants) n’est pas assez épaisse (5cm).
On peut en déduire que l’épaisseur de l’isolant joue un rôle très important dans l’isolation.

IV. Observations (générales) :

On remarque donc qu’en présence des isolants les températures intérieures augmentent. On observe également qu’elles augmentent de façon différente. En se basant sur les résultats de cette expérience, on pourrait classer les trois isolants dans l’ordre croissant d’efficacité : polystyrène, laine de verre, carton. 

Comme nous avons pu le remarquer, les différences de température sont minimes, c’est pour cela que les résultats de cette expérience ne sont pas suffisants pour déterminer quel isolant isolerait au mieux les murs de votre chambre en hiver.

Par conséquent nous allons vérifier nos résultats par calcul, nous allons plus précisément calculer la conductivité thermique des trois isolants.