En été, nous aimons marcher pieds nus sur les carrelages de notre maison, et une sensation de fraîcheur s'empare de nos pieds. En hiver, nous adorons nous blottir dans un lit chaud, même si, une fois levés, nous portons des chaussons en coton épais. Si les matériaux sont suffisamment isolants, la température intérieure ne varie pas beaucoup d'une saison à l'autre. Alors pourquoi avons-nous toujours l'impression que les carrelages sont plus froids ?
En fait, tout comme pour l'eau et l'électricité, il existe également un flux de chaleur dans les matériaux, qui s'écoule toujours vers les zones les moins chaudes. Lorsque nous évaluons la température d'un objet, nous nous basons sur la quantité de chaleur dissipée au niveau du point de contact avec notre peau. C'est pourquoi la glace nous brûle les mains, tandis que l'eau nous réchauffe. Le transfert de chaleur entre notre corps et un objet dépend de trois facteurs : la différence de température entre les deux, la surface de contact et la conductivité thermique de l'objet.
La conductivité thermique indique la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Plus cette capacité est élevée, plus la conductivité thermique sera importante, et inversement. En général, les métaux sont les plus conducteurs, suivis des liquides et des gaz. Par exemple, à 20 °C, la conductivité thermique du cuivre pur est de 398 W/(m·K), tandis que celle de l'eau n'est que de 0,599 W/(m·K).
Lorsque nous marchons pieds nus sur des carrelages et des couettes à la même température, la différence de température et la surface de contact sont identiques, mais la conductivité thermique des carrelages est environ 22 fois supérieure à celle des couettes. Par conséquent, la quantité de chaleur dissipée par nos pieds sur les carrelages est environ 22 fois plus importante que sur les couettes. Les carrelages dissipent bien plus de chaleur de notre peau que les couettes, nous donnant ainsi une sensation de froid accrue lorsque nous nous tenons dessus.
Plus précisément, les métaux contiennent de nombreux électrons libres, ce qui leur permet d'avoir une conductivité électrique élevée et une conductivité thermique importante, car les collisions entre les électrons et les ions métalliques permettent un transfert rapide de chaleur. Les isolants, quant à eux, contiennent très peu d'électrons libres et sont donc généralement moins isolants. La fourrure animale et les vêtements humains sont de mauvais conducteurs de chaleur, et les sous-vêtements chauds sont souvent dotés d'une couche ultra-fine d'isolant thermique ou d'autres matériaux spéciaux. Cependant, le diamant, le matériau le plus dur de la nature, est également un isolant, mais avec une conductivité thermique élevée. En effet, les atomes de carbone à l'intérieur du diamant sont très étroitement alignés, ce qui permet un transfert rapide des vibrations thermiques. En comparaison, le transfert de vibrations thermiques des atomes dans d'autres isolants est beaucoup plus lent, et le nombre d'électrons impliqués dans la conduction thermique est également très faible, ce qui explique leur conductivité thermique réduite.
La conductivité thermique est fortement influencée par la température. La conductivité thermique des métaux purs et de la plupart des liquides (à l'exception de l'eau) diminue avec l'augmentation de la température, tandis que celle des non-métaux et des gaz augmente avec l'augmentation de la température. C'est pourquoi la plupart des matériaux isolants sont en plastique, en caoutchouc, en verre ou en céramique. Les tuiles d'amiante posées sur les toits sont utilisées pour isoler la chaleur du soleil et éviter une surchauffe de l'intérieur. Certains panneaux isolants et membranes thermiques doivent également être ignifuges pour prévenir les incendies. Le matériau polytétrafluoroéthylène (PTFE) présente les avantages d'une bonne isolation, d'une faible conductivité thermique, d'une résistance aux températures élevées et basses, ainsi que d'une résistance à la corrosion. Le « bubble » bleu du Water Cube est fabriqué à partir de ce matériau.