NOTIONS DE THERMIQUE
Lorsque l’on parle de température, nous parlons plus communément de chaud et de froid. Pour le transport ou la livraison de produits thermosensibles, cette notion de température est primordiale pour assurer l’intégrité structurelle de ces mêmes produits.
Mais comment cela fonctionne-t-il ? Quelle peut-être l’incidence de la température sur tel ou tel produit ? Comment un contenant isotherme peut-il limiter l’impact de la température ? Le froid a-t-il la même incidence que le chaud sur certains produits ?
Nous vous expliquons tout !
QU'EST-CE QUE LA TEMPÉRATURE ?
La teméprature caractérise une intensité de chaleur. Il existe principalement 3 référentiels de température :
- L’échelle centrigrade ou Celsius : à une perssion atmosphérique du bord de mer, le 0°C correspond à la glace fondante et le 100°C correspond à l’ébullition.
- L’échelle Kelvin, dont la limite inférieur 0 K correspondant à -273°C, est l’état de repos absolu des molécules. Il n’existe alors aucune agitation dans les molécules de matière.
- L’échelle Fahrenheit dont le référentiel peut se recalculer sur l’échelle Celsius par la relation T(°F) = 9/5 T(°C) +32
LE FROID QUÈSACO ?
Le froid se définit en opposition au chaud. Plus exactement, c’est une absence de chaleur.
D’un point de vue physique, la chaleur est une forme d’énergie qui définit l’agitation désordonnée des molécules dans une substance. Plus le corps est froid, moins les molécules s’agitent et plus dense est le corps. Plus le corps est chaud, plus les molécules s’agitent et plus léger est le corps. Nous verrons plus loin que cet impact sur la densité rend l’air chaud plus léger que l’air froid ; c’est pourquoi nous disons que « le froid tombe ».
Cette énergie, que l’on appelle chaleur, se transmet d’un corps chaud à un corps froid. L’échange ne cesse que lorsque les deux corps s’équilibrent à la même température.
COMMENT PRODUIRE DU FROID ? POURQUOI PARLE-T-ON DE FROID ACTIF ? DE FROID PASSIF ?
LE FROID ACTIF : DÉTENTE D'UN GAZ PRÉABALEMENT COMPRIMÉ
C’est ce phénomène qui est utilisé dans le cas du froid actif. Un moteur, avec une source d’énergie électrique ou mécanique, comprime et dilate un gaz dans un circuit fermé. La partie du circuit où a lieu la dilatation refroidit le container isotherme. Un réfrigérateur classique fonctionne sur ce principe.
LE FROID PASSIF : CHANGEMENT D'ÉTAT ENTRE SOLIDE ET LIQUIDE
La matière peut se trouver sous 3 formes d’état : solide, liquide et gazeux. A pression constante, la matière change d’état en absorbant ou en libérant de la chaleur.
Ainsi, lorsque la glace hydrique fond, elle absorbe de la chaleur pour passer de l’état solide (glace) à l’état liquide (eau). Ce phénomène s’appelle la fusion. L’environnement est alors refroidi.
C’est ce phénomène qui est utilisé en froid passif lorsque l’apport de plaques eutectiques préalablement congelé libère du froid dans un container isotherme.
POUR RÉSUMER
Le froid actif utilise un groupe froid nécessitant une source d’énergie continue, soit électrique soit via du carburant.
Le froid passif utilise une source d’énergie type batterie préalablement chargée en froid : les PCM ou plaques eutectiques.
POURQUOI ASSOCIER UN CONTENEUR ISOTHERME AVEC UN APPORT DE FROID ?
Nous l’avons vu précédemment, la chaleur est une énergie qui se transmet d’un corps chaud à un corps froid. L’échange ne cesse que lorsque les deux corps s’équilibrent à la même température.
Un matériau isotherme va ralentir ces entrées de chaleur jusqu’à ce que milieu intérieur et milieu extérieur soient à la même température. Un container isotherme seul ne peut donc maintenir la stabilité de la température souhaitée. Un apport de froid est nécessaire : froid actif, froid passif ou froid cryogénique…
LE FROID CRYOGÉNIQUE OU LE CAS DE LA SUBLIMATION DE LA GLACE CARBONIQUE
La glace carbonique est une matière qui, à pression atmosphérique, passe directement de l’état solide à l’état gazeux sans passer par la phase liquide. Ce phénomène s’appelle la sublimation. La glace se transforme directement en gaz sans laisser de trace à une température de -78,9°C. D’un point de vue thermique, la sublimation absorbe beaucoup de chaleur et refroidit donc très efficacement son milieu.
QU'EST CE QU'UN CONTENEUR ISOTHERME ? COMMENT COMPARER AVEC LE LAMBDA ET LE COEFFICIENT K ?
Un container isotherme est un container dont les parois isolantes freinent les entrées de chaleur.
LE LAMBDA POUR ÉVALUER UN MATÉRIAU
Pour évaluer la performance d’un matériau isolant, nous utilisons la valeur du coefficient de conductivité thermique lambda (λ) en W/m.K. Plus le λ est faible, plus le matériau est isolant.
Les matériaux courants utilisés en isothermie avec leurs valeurs de lambda associées sont les suivants :
LE COEFFICIENT K POUR ÉVALUER UN CONTENANT
Pour évaluer la performance d’un conteneur isotherme, nous utilisons la valeur du coefficient de transmission thermique K en W/m².K qui présente les déperditions du container dans sa globalité.
Plus la valeur du coefficient K est faible, plus le conteneur isotherme est performant.
LA CHALEUR SE TRANSMET DE 3 FAÇONS
- Par conduction : la chaleur se transmet par contact d’une molécule à l’autre. Nous pouvons sentir cette transmission lorsque nous chauffons une règle métallique à une extrémité et que nous sentons la chaleur venir à l’autre extrémité. L’agitation des molécules du métal a été conduite d’une molécule à l’autre, d’un bout de la règle jusque l’autre.
L’air est souvent utilisé en isolation thermique car c’est un très mauvais conducteur de chaleur et donc un bon isolant. Ainsi, les matériaux isolants – comme les mousses de polystyrène, de polyuréthane, les laines de verre ou de coton – emprisonnent de l’air immobile sous forme de bulle. Le vide est quant à lui le meilleur isolant. Puisqu’aucune molécule n’est présente, aucune conduction thermique par agitation de molécules n’est possible.
- Par rayonnement : la chaleur est transmise sous forme d’onde électromagnétique. Nous ressentons ce phénomène lorsque nous nous déplaçons de l’ombre au soleil ou lorsque nous sommes face à un feu. Notre partie du corps exposée au rayonnement du soleil ou du feu ressent la chaleur lorsque la partie du corps restée à l’ombre reste fraiche.
Les matériaux avec un revêtement argenté/doré et une surface d’exposition très lisse réfléchissent le rayonnement thermique et n’absorbent qu’une faible partie de la chaleur. Ces matériaux garantissent de bonne qualité d’isolation thermique.
- Par convection : ce phénomène ne concerne que les fluides (gaz et liquide). La différence de densité des fluides associés à la gravité entraine un mouvement du fluide chaud moins dense et plus « léger » vers le haut lorsque le fluide bas, plus dense, retombe. Nous observons ce phénomène dans une casserole d’eau chauffée. L’eau se met en mouvement.
Les mousses d’isolation empêchent la transmission thermique par convection puisqu’aucun mouvement d’air ne se crée entre les bulles d’air emprisonnées de la structure. Le phénomène de convection se crée à partir d’une certaine distance entre le fluide chaud et le fluide froid. A faible distance, comme dans le double vitrage où la lame d’air comprise entre les deux vitres ne dépasse pas 2cm, aucune convection thermique n’est possible.
