Parlons encore une fois de ces objets de la vie courante qui renferme un peu de science, à l’instar des ventilateurs pour poêle, des sprinklers ou des cocottes minute. Cette fois-ci parlons des tapis rafraîchissants pour chiens ou chats.
Ce sont des tapis à poser par terre et dès qu’on se pose dessus, ils donnent une sensation de froid très prononcé. En période caniculaire, on peut les utiliser sous son oreiller, ou alors les laisser à nos animaux de compagnie qui les apprécient également.
Comment ça marche ? Comment produisent-ils du froid ?
Le problème de produire du froid
Produire du froid n’est pas aussi simple que produire du chaud.
Pour produire de la chaleur, on doit transformer une énergie (électrique, chimique…) en chaleur (énergie thermique), et… c’est tout.
Pour faire du froid, ce mécanisme ne fonctionne pas. On ne peut pas produire du froid par conversion d’électricité en froid : ça ne se fait pas, la nature ne fonctionne pas comme ça. La nature même de la chaleur et du froid ne le permet pas.
Le froid et le chaud n’ont pas de sens en physique : ces deux choses sont identiques : de l’énergie thermique. Un corps froid a simplement moins d’énergie thermique qu’un corps chaud.
Ce que l’on sait faire, c’est déplacer de l’énergie thermique d’un endroit et l’évacuer ailleurs. L’endroit en question finira alors par refroidir. C’est ainsi que fonctionnent les climatiseurs, les frigos, les modules Peltier…
Les tapis rafraîchissants fonctionnent sans piles et encore moins avec un mini frigo : ils sont parfaitement passifs.
D’ailleurs… ils ne produisent pas de froid !
Une simple impression
Les tapis pour animaux ne produisent pas de froid. Vous avez bien lu. Ils sont à la même température que le reste. La sensation de froid est une impression. Cela n’empêche pas que ce soit efficace pour se rafraîchir.
En fait, c’est exactement comme marcher pied nu sur le carrelage, qui semble beaucoup plus froid que marcher sur un tapis. Le carrelage et le tapis sont à la même température, mais les deux n’agissent pas de la même façon en ce qui concerne la chaleur du pied.
Quand on marche sur le tapis, le pied réchauffe le tapis et le tapis maintient ensuit le pied chaud : on peut marcher sans se geler les pieds. La chaleur émise par le pied reste à proximité de celui-ci. Le tapis isole thermiquement le pied chaud du sol froid, et la chaleur reste dans le pied :
Si on marche sur le carrelage, la sensation est autrement plus froide, car le carreau absorbe très rapidement la chaleur et la dissipe dans le sol. Le carrelage est un bon conducteur de chaleur et ne demande qu’à conduire la chaleur de vos pieds dans le sol.
La chaleur de votre pied finit alors par être diffusé dans le sol et le pied par refroidir :
Quand je parle d’isolant ou de conducteur thermique, cela réfère à la notion de conductivité thermique, tout comme on peut parler de conductivité électrique.
Conductivité thermique, convection thermique ou capacité thermique ?
La conductivité thermique permet d’exprimer la quantité d’énergie thermique (de chaleur) qu’un matériau peut conduire d’un endroit à un autre par unité de temps. L’énergie thermique est essentiellement associée à de l’énergie vibratoire dans les molécules. Si les molécules transmettent cette vibration de proche en proche aux molécules voisines, alors l’énergie thermique finit elle aussi par être véhiculée.
Les métaux font ça très bien. Si on chauffe l’extrémité d’un bout de cuivre, l’autre extrémité devient très rapidement chaude également. Si vous cuisinez, vous le constatez facilement avec une cuillère en métal plongée dans une casserole. À l’inverse, une cuillère en bois ne se réchauffe pas aussi rapidement : le bois ne conduit pas bien la chaleur.
Ce n’est cependant pas la meilleure méthode pour transporter la chaleur. On peut transporter beaucoup plus d’énergie thermique si on déplace un corps chaud d’un endroit en un autre. En effet, transporter de la matière chaude d’un endroit à un autre est généralement plus efficace que laisser la chaleur se conduire toute seule d’un endroit à un autre. On parle alors de convection, lorsqu’il y a déplacement de matière en plus de chaleur.
Enfin, le transport de chaleur est également amélioré avec des matériaux qui peuvent absorber de grandes quantités de chaleur. Plus un matériau peut absorber de calories avant de s’échauffer, plus on peut véhiculer de chaleur à l’aide de ce matériau. L’eau est très bonne pour ça : l’eau peut emmagasiner beaucoup d’énergie thermique. Bien plus que de l’acier ou du cuivre !
L’eau doit absorber 4,18 joules par gramme pour monter d’un degré. Le cuivre, avec les mêmes 4,18 joules, monterait de 11 degrés ! Dit autrement, transporter de l’eau chaude véhicule plus de chaleur que transporter du cuivre chaud.
En plus, la fluidité de l’eau lui permet de se mettre en convection et de transporter la chaleur encore plus facilement. C’est pour ça qu’on préfère utiliser des fluides quand on a besoin de refroidir des choses, comme un PC (par water-cooling) ou un moteur de voiture (avec le liquide de refroidissement).
Et nos tapis rafraîchissants ?
Les tapis sont remplis d’une sorte de gel, à base de polymères mais aussi à base d’eau.
L’idée est de tirer parti de tous ces phénomènes cités plus haut à la fois. L’eau, tout d’abord, peut absorber de grandes quantités de chaleur. Quand on pose la main sur le tapis, une grande quantité de chaleur est transmise au tapis… ce qui a pour effet de refroidir la main !
L’eau et le gel dans le tapis sont partiellement liquides: ils peuvent donc se déplacer au sein du tapis : l’eau réchauffée par votre main est alors déplacée et de l’eau fraîche vient prendre sa place se mettre sous votre main, et l’on sent à nouveau du froid.
Enfin, le tapis étant grand et en contact avec le sol et l’air, toute la chaleur absorbée est également évacuée grâce à une grande surface d’échange thermique avec l’extérieur. Le tapis offre donc une sensation continue de fraîcheur.
Une autre explication possible
En faisant les recherches en ligne pour expliquer la sensation de froid très prononcée de ces tapis, j’ai trouvé d’autres explications. L’une d’elle fait mention d’un gel « activé par la pression ».
Autrement dit, appuyer sur le tapis provoquerait un refroidissement réel du gel qui se trouve dedans : la température du tapis diminuerait quand on appuie dessus.
Ceci est un mécanisme possible : le gel peut être constitué de telle sorte qu’une pression peut lui faire changer son état moléculaire, ou juste son état physique, de façon à entrer dans une phase de plus basse entropie. Ce changement de phase est alors endothermique et la température baisse. D’un point de vue purement conceptuel, c’est quelque chose qui serait possible.
Cependant, en effectuant mes essais sur mon propre tapis, je n’ai pas observé de baisse de température lorsque j’ai posé un poids sur le tapis. Il n’y a donc pas de phénomène endothermique en jeu. En revanche, mon tapis en entier monte en température lorsque je pose mes pieds dessus : c’est donc bien signe que des calories sont rapidement captées de mes pieds et renvoyées dans tout le tapis.
Enfin, si la compression produisait un refroidissement, un relâchement devrait produire un échauffement. C’est obligatoire. Or ce n’est pas le cas et même le contraire : dès que l’on retire la main chaude du tapis, ce dernier n’est plus réchauffé par la main et commence à perdre en température.
Des tapis tirant parti d’un phénomène endothermique peuvent exister, mais mon tapis n’est pas de ce genre-là. Le principe d’un « gel activé par la pression » est donc très probablement un simple « argument » commercial.
Conclusion
Les tapis rafraîchissant ne deviennent pas réellement froids, pas plus que le carrelage de la salle de bain n’est plus froid que le tapis qu’on pose dessus : les deux sont à la même température. La sensation de froid ne provient que du mécanisme qui vole la chaleur de votre pied ; mécanisme bien plus fort avec le carrelage qu’avec un tapis.
Ces mécanismes font intervenir la captation de la chaleur corporelle ainsi que son transport au sein du tapis, et le tout est optimisé par le choix des matériaux pour avoir une sensation de froid agréable en périodes de fortes chaleurs, y compris pour nos animaux de compagnie.
Liens
Si, au lieu de froid, vous voulez plutôt avoir chaud, vous pouvez essayer de voir du côté des chaufferettes, pratiques à mettre dans vos poches. Il en existe qui fonctionne avec des cristaux exothermiques, ou alors les chaufferettes catalytiques qui fonctionnent avec de l’essence à Zippo.
Quelques liens de ressources et de discussions :
- Pressure activated gel cooling pads for dogs: what are the physics behind them?
- How do pet cooling mats work?
- Cooling Gel Pillow. – Keeping It Cool
- How do pet cooling mats work ? : chemistry
Le lien vers mon modèle de tapis rafraîchissant :
- Tapis Rafraîchissant Chien et Chat (lien Amazon)
