Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi, par une froide journée d'hiver, vous ressentez une franche sensation de froid en vous approchant d'une grande baie vitrée, meme si la pièce est bien chauffée ?
La sensation dite de froid rayonnant est souvent interprétée comme un retour de froid en provenance d’une surface. Cette perception est une illusion sensorielle, car le froid ne se propage pas. En réalité, le phénomène repose sur un échange énergétique mesurable impliquant le rayonnement thermique. Lorsque le corps humain se trouve face à une surface plus froide, il perd de l’énergie sous forme de rayonnement infrarouge.
N.B. :
En physique, le froid ne se propage pas. Il n’existe pas de flux de froid. Seule la chaleur, c’est-à-dire l’énergie thermique, est transférée d’un corps à température plus élevée vers un corps à température plus basse, par conduction, convection ou rayonnement. La sensation de froid correspond à une perte d’énergie du corps et non à l’arrivée d’un agent froid.
Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique. Pour la peau humaine, ce rayonnement se situe principalement dans l’infrarouge lointain. Si la température de l’environnement est inférieure à celle du corps, le flux radiatif net est dirigé vers l’extérieur, ce qui provoque une perte d’énergie continue.
La puissance rayonnée par un corps est donnée par la loi de Stefan-Boltzmann : \( P = \varepsilon \sigma S T^4 \). Le paramètre T est la température absolue de la peau (en kelvins). Puisqu’il est à la puissance 4, même de petites différences de température entre le corps et une surface froide entraînent une perte d’énergie beaucoup plus importante que l’on pourrait croire. Les autres paramètres sont :
- P : puissance rayonnée (en watts, W)
- \(\varepsilon\) : émissivité de la peau (~0,97)
- \(\sigma\) : constante de Stefan-Boltzmann, \(5,67 \times 10^{-8} \, \text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-4}\)
- S : surface de peau exposée (en m²)
Le flux radiatif net dépend de la différence entre la température de la peau et celle de l’environnement. Par exemple, face à un mur très froid, le corps peut perdre plusieurs centaines de watts instantanément sur les zones exposées, ce qui explique la sensation intense de froid, même si la température corporelle globale chute très lentement grâce au métabolisme.
La sensation de froid est plus forte lorsque le corps est exposé à des surfaces de températures différentes. Un mur ou une vitre peuvent être matériellement homogènes, mais ils restent souvent plus froids que l’air ambiant. Cela s’explique par leur contact avec l’extérieur et par leur capacité à stocker ou évacuer la chaleur plus lentement que l’air.
Ces surfaces froides absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par le corps. Elles modifient la façon dont la chaleur du corps s’échappe autour de la personne. Au lieu que l’énergie soit répartie de manière équilibrée dans toutes les directions, une grande partie de la chaleur est captée par ces parois froides. Le corps ressent alors ce déséquilibre comme un froid plus intense venant de ces surfaces.
Imaginez votre corps comme une lampe chauffante placée au centre d’une pièce. La chaleur qu’il émet se propage dans toutes les directions, mais les murs froids absorbent davantage cette énergie. Le flux de chaleur “suivra” naturellement ces surfaces, car les gradients thermiques sont plus forts là où il fait plus froid. C’est un peu comme si la chaleur du corps était de l’eau dans un terrain en pente. Les surfaces froides étant des trous plus profonds. Inversement, dans les directions vers des surfaces plus chaudes ou proches de votre température, le corps perd moins de chaleur (le flux thermique est "plus lent").
Même sans courant d’air, ce déséquilibre du flux thermique donne la sensation que le froid vient surtout des surfaces froides en face de vous, comme le mur ou la vitre.
La conduction thermique a été formalisée au début du 19e siècle par Joseph Fourier (1768-1830). Il a posé les bases mathématiques du transfert de chaleur par contact direct entre les matériaux.
Le rayonnement du corps noir a été décrit par Max Planck (1858-1947) en 1900 CE, ouvrant la voie à une compréhension quantitative des échanges radiatifs. Les travaux de Albert Einstein (1879-1955) ont renforcé l’interprétation statistique des transferts d’énergie entre la matière et le rayonnement.
N.B. :
La température de l’air n’est pas le seul facteur qui influence la sensation de confort thermique. Même si deux environnements ont la même température, on peut ressentir un froid ou un confort très différents selon la manière dont la chaleur est distribuée autour du corps. C’est ce que l’on appelle le champ radiatif : l’ensemble des surfaces et objets qui absorbent ou renvoient de la chaleur vers vous. Un déséquilibre dans ce champ, par exemple des murs ou des vitres froides, peut amplifier la sensation de froid, même sans courant d’air.
| Mécanisme | Description physique | Effet sur le corps | Référence |
|---|---|---|---|
| Rayonnement | Émission infrarouge proportionnelle à \(T^4\), quantification expliquée par la physique des corps noirs | Perte d’énergie globale | Max Planck, 1900 CE et Albert Einstein (1905 CE) |
| Conduction | Transfert thermique par contact | Refroidissement localisé | Joseph Fourier, 1822 CE |
| Convection | Transport thermique par fluide | Effet secondaire sans courant d’air | Isaac Newton, 1701 CE |
Sources : NIST, Thermophysical Properties, ISO 7730, Ergonomie des ambiances thermiques.
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