Isolation thermique :

 

 

source : www.isolation-provence.fr

Lorsque l'on s'intéresse aux transferts d'énergie entre systèmes macroscopiques, on tombe inévitablement sur la notion de transfert thermique, c'est à dire l'échange de chaleur entre deux de ces systèmes. Cet échange peut être souhaité abondant (cas du radiateur par exemple) ou au contraire le plus réduit possible (on cherche à isoler).

Cette notion d'isolation thermique est devenue cruciale pour une réussite de la transition énergétique souhaitée par le plus grand nombre. Cette thématique devrait intéresser tout un chacun,et bien la comprendre pourra permettre d'être plus avisé le jour où l'on devra faire des choix pour construire ou améliorer son habitat.

Au delà de cette notion d'isolation, on sera amené aussi à parler de machines thermiques (pour expliquer en particuler le fonctionnement d'une pompe à chaleur).

Quelques notions de physique seront développées au cours de cette étude.

 

Micro-Macro

Domaine microscopique et domaine macroscopique

- le domaine microscopique : c’est celui des atomes et des molécules ( ≈ 10^-10 m)

- le domaine macroscopique : c’est le nôtre (ordre de grandeur du mètre)

 

Au niveau de la matière, la constante d’Avogadro donne une idée de la différence d’échelle entre ces deux domaines : N_A = 6,02.10²³ mol^-1

 

Rappel : la masse molaire représente la masse d’une mole d’une espèce donnée autrement dit la masse totale de 6,02.10²³ entités de cette espèce ( 6,02.10²³ = six cent mille milliards de milliards )

Par exemple : l’eau a une masse molaire M_H2O = 18,0 g.mol^-1.

Un verre (à eau) a une contenance d’environ 200 mL.

L’eau ayant une masse volumique de 1 g.mL^-1, il y a environ 200 g d’eau dans un verre d’eau rempli. Il faut donc le remplir seulement au dixième de sa capacité pour être en présence d’une mole d’eau (soit six cent mille milliards de milliards de molécules d’eau) !

 

Un livre à télécharger librement : Passeport pour les deux infinis (Editions Dunod)

 

 

Transferts thermiques

A- Expérience

 Une expérience assez simple à mettre en œuvre (même à la maison) :

 

Deux béchers remplis l’un d’eau chaude et l’autre d’eau froide sont reliés par une tige métallique.

 

On mesure au cours du temps la température de l’eau de chacun des béchers, mais aussi celle de la tige en différents endroits.

 

Pour éviter trop d’interactions avec le milieu ambiant, il est préférable de mettre tout cela dans une boite en polystyrène (… on touche ici une application du chapitre : l’isolation thermique !) : 

 

Fig 1 : Situation initiale

 

Fig 2 : ... en cours

On constate que :

• le bécher d’eau chaude se refroidit
• le bécher d’eau froide se réchauffe
• tandis que la barre de métal  voit sa température augmenter progressivement à partir du bécher d’eau chaude 

 

Fig.3 : situation finale

 

Le système est à l'équilibre avec de l'eau tiède à la même température dans les deux béchers.

 

 

L’eau froide voit sa température augmenter tandis que l’eau chaude voit sa température diminuer. On dit qu’il y a eu un transfert thermique entre le bécher d’eau chaude et le bécher d’eau froide

 

Un transfert thermique se fait spontanément et de façon irréversible, de la source chaude vers la source froide

 

• spontanément : on ne peut pas le déclencher, on ne peut pas l’arrêter

• irréversible : il est impossible de voir le système revenir naturellement de la situation finale (deux béchers d’eau tiède) à la situation initiale (un bécher d’eau chaude et un bécher d’eau froide). (Rque : on verra que l'on pourra forcer le transfert à l'aide de machines thermiques)

 

B- Les différents modes de transfert thermique

 

• par conduction :  Echange d’énergie sans transfert de matière.

 

(C’est en grande partie ce mode qui a été en action dans notre expérience, par la présence de la barre de métal)

 

Exemple d’application :  le refroidissement d’un microprocesseur :

 

La chaleur émise par la processeur envahit le radiateur métallique par conduction. Le contact entre la puce et le radiateur est amélioré par la présence d’une pâte ‘thermique’...de conduction.

 

Le radiateur est conçu pour évacuer cette chaleur sur une surface grande (d’où la présence des ailettes). Là ont lieu deux autres phénomènes : la convection (avec l’air ambiant) et le rayonnement...

 

• par convection : Echange d’énergie avec un fluide en mouvement

On rappelle que le terme fluide englobe les gaz et les liquides

 

La copie d'écran ci-dessous est un lien vers une animation Edumédia (qui ne fonctionnera que partiellement) : elle représente un type de radiateur justement appelé ‘convecteur’.

L’air froid s’y réchauffe.

L’air chaud moins dense s’élève et retombe dans la pièce tout en se refroidissant

 

• par rayonnement : Echange d’énergie par onde électromagnétique

Remarque : c'est le seul mode qui puisse se faire aussi dans le vide, les deux premiers nécessitant de la matière pour se faire.

On profite ainsi sur Terre du rayonnement électromagnétisque émis par le Soleil et qui a parcouru 150 millions de km avant d'arriver à nous.

Tout corps matériel émet des ondes électromagnétiques en fonction de sa température. L'animation suivante rappelle le profil d'émission du "corps noir" selon sa température :

 

 

 

Des compléments sont disponibles ici .

 

 

Application : la thermographie permet de réaliser des photographies dans le domaine de l’infrarouge et de mesurer ainsi le rayonnement émis par des objets à des températures variées (ci-dessous la semelle d’un fer à repasser : l’évaluation du rayonnement reçu par la caméra Infra-rouge permet de donner une mesure de la température en surface de cette semelle du fer : 233°C

Remarque : réaliser une isolation thermique, c’est essayer de limiter au maximum les transferts thermiques par conduction, convection et rayonnement.

 

Le vase Dewar (que l’on retrouvait dans les bouteilles Thermos il y a quelques années) est un exemple de récipient isolant du point de vue thermique :

 

  

source : wikipedia                            et  http://www.progettogea.com/gea/energia/energia2.5.htm

 

Ci-dessus le coeur du dispositif : le récipient est en verre mais c’est une double paroi qui sépare l’intérieur de l’extérieur.

Entre les deux parois : du vide (vacuum en anglais)… donc pas de conduction ni de convection

Ces parois sont argentées ('silvered surfaces') ou aluminées comme un miroir donc pas de perte par rayonnement : il est piégé dans cette cavité réfléchissante

 

De la conduction reste possible en remontant puis en redescendant le long de la paroi…

 

Il n'y a quasi aucun point de contact avec l’enveloppe extérieure en plastique du Thermos.

Reste le problème du bouchon : initialement en liège très épais, en matière synthétique maintenant.

 

Les trois types de transferts thermiques sont donc très limités dans un tel récipient qui peut servir à conserver pendant plusieurs heures une boisson :

- plus chaude que l’air ambiant (on empêche les transferts thermiques de l’intérieur vers l’extérieur)

- plus froide que l’air ambiant (on empêche les transferts thermiques de l’extérieur vers l’intérieur)

 

Ce type de dispositif est également utilisé pour stocker de façon temporaire de l’azote liquide par exemple (rappelez-vous l’expérience présentée lors de la Physique Itinérante)

Flux Thermique

C- Flux thermique

    Dans ce cours on utilise la lettre t et la lettre T :

•  la majuscule T pour la température (en kelvin en principe  ou parfois en °C)
•   la minuscule t pour les dates (instants)

 

 

Entre les instants t₁ et t₂ une quantité de chaleur notée Q a été transférée de la source chaude vers la source froide.

 

Autrefois cette quantité était mesurée en calories.

 

Maintenant on la donne en joules car c’est en fait une énergie.

 

Connaître une quantité de chaleur transférée n'est pas suffisant en soi. En effet, sur quelle durée s'est fait ce transfert ? En 5 minutes, 30 minutes ... 1 heure ; plus ?

 

Par exemple, une maison qui perd Q = 5.10⁶ joules en 1 heure est mieux isolée que celle qui perd cette même quantité Q en 30 minutes.

 

On définit alors le flux thermique ( = la ‘vitesse’ à laquelle se fait le transfert thermique) par la relation :

 

Le rapport Q sur Δt donne d’un point de vue des unités un rapport joule sur seconde donc des watts . Ce rapport Q sur Δt est donc également appelé la puissance thermique

 

On pourra donc rencontrer ce flux thermique exprimé en J.s^-1 ou en W.

 

 

Résistance thermique

D- Résistance thermique

1- Définition :

Selon les situations on cherche à ce que le transfert thermique soit

• le plus rapide possible (évacuation de la chaleur d’un microprocesseur par exemple)

• le plus lent possible ( on cherche alors à faire de l’isolation thermique : comment faire pour que la chaleur parte le moins vite possible d’un logement, ce qui permet d’en réinjecter moins souvent avec le système de chauffage et donc de faire des économies d’énergie ?)

   

Ce ne sont donc pas les mêmes matériaux qui seront utilisés pour ces deux situations extrêmes.

 

Pour classer les matériaux sur cette propriété à laisser passer plus ou moins bien la chaleur, on définit alors la résistance thermique, notée R_th ou parfois simplement R

 

(on va voir que l’on y trouve une analogie avec la résistance en électricité)

 

Pour parler de façon un peu simpliste :

• en électricité : plus la résistance électrique est élevée et plus le courant a du mal à passer

Ce sera la même chose au niveau thermique :

• plus la résistance thermique est élevée et plus la chaleur a du mal à passer

 

Une paroi qui sépare une source chaude d’une source froide constitue une gêne au transfert thermique.

Selon la paroi (nature, caractéristiques géométriques) mais aussi en fonction de la différence de température entre les deux sources (ΔT = T_C – T_F ), le flux thermique est plus ou moins intense.

 

Dans l’exemple ci-dessous, seule l’épaisseur de la paroi est modifiée : avec une paroi plus épaisse, le flux thermique est moindre (on ralentit les déperditions de chaleur) : la résistance thermique est plus élevée :

 

On peut donc écrire :

R_th représente la résistance thermique de la paroi

 

Attention : ici ΔT = T_C – T_F est la différence entre les températures régnant de chaque côté de la paroi

 

Remarque concernant les unités : ΔT doit être en kelvin, donc T_C comme T_F devraient être données elles aussi en kelvin. Or bien souvent elles seront données en °C.

 

On rappelle : T_(K) = T_(°C) + 273

Exemple :

• T_F = 0°C → T_F = 273 K

• T_C = 20°C → T_C = 293 K

 

donc ΔT = T_C – T_F = 293 – 273 = 20 K

 

Remarque : on pourrait obtenir ce résultat plus rapidement en soustrayant les température en °C : 20 – 0 et écrire le résultat en kelvin : 20 K !

 

2- Mise en série de parois :

_:

Un mur d'habitation est en fait un 'sandwich' de plusieurs matériaux destinés à assurer la solidité du bâti, son isolation et son esthétique (intérieure ou extérieure).

Chacun de ces matériaux est responsable pour l'ensemble de l'habitation d'une résistance thermique :

L'ensemble de cette paroi 'sandwich'  composée :

• d'une paroi N°1 de résistance thermique R_th1
• d'une paroi N°2 de résistance thermique R_th2

peut être assimilée à une paroi unique de résistance thermique R_th : c'est la résistance thermique équivalente à l'association des deux parois :

Cette paroi équivalente a bien sûr une résistance thermique supérieure à celle de la paroi N°1 seule ou celle de la paroi N°2 seule.

Comme pour les résistances en série en électricité, les résistances thermiques de parois en série s'ajoutent et on a :

3- Résistance thermique d'une paroi plane :

La réduction de la dépendance énergétique, mais aussi la diminution des gaz à effet de serre peuvent passer par une meilleure isolation des logements, en particulier des logements "anciens" (quelques dizaines d'années suffisent pour être ancien au niveau énergétique !). Une des solutions proposées consiste en l'isolation par l'extérieur : 

 

 

source : www.isover.fr

Cette technique présente plusieurs avantages :

• intervention plus facile par l'extérieur
• pas de diminution de la surface des logements
• permet de réhabiliter en même temps l'aspect extérieur du bâtiment.

Un petit bémol cependant du point de vue luminosité, les fenêtres se retrouvant davantage encaissées dans le bâtiment.

Pour chaque type d'isolant, les fabricants fournissent une documentation technique qui précise les spécifications de l'isolant. Ci-dessous un extrait d'une table de données (source : www.isover.fr) pour un isolant de type laine de roche fourni en plaques. (Remarque, pour des contraintes techniques et de coût, le choix peut se porter sur différentes épaisseurs) :

Ci-dessous le même document de certification pour du polystyrène extrudé :

 

Ces documents fournissent des valeurs numériques pour deux grandeurs :

• une grandeur nommée conductivité thermique représentée par la lettre grecque λ ('lambda') :  et exprimée ici en W/(m.K). En physique, on préfèrera écrire : W.m^-1.K^-1
• une deuxième grandeur nommée "résistance thermique" pour différentes épaisseurs e de cet isolant.

 

   On a mis entre guillemets ce mot résistance thermique car il ne correspond pas exactement au terme utilisé par les physiciens ... ! Il suffit de regarder les unités :

• nous l'avons définie en K.W^-1
• ici elle est en m².K/W, ce qui donne avec notre notation : m².K.W^-1

En fait ces documents pourtant officiels de certification sont FAUX : ce qui est donné dans le tableau s'appelle la résistance thermique surfacique, et elle est égale au produit de la résistance thermique R_th par la surface S de la paroi , soit :

R = R_th . S

ce qui est bien correct maintenant du point de vue des unités.

A la lecture de ces documents que peut-on en déduire :

• sur la relation entre l'épaisseur de l'isolant et la résistance thermique surfacique ?
• sur la relation entre la conductivité thermique λ et la résistance thermique surfacique ?

On donne  ci-dessous la relation qui permet de calculer la résistance thermique R_th d'une paroi plane, de surface S et d'épaisseur e, faite d'un isolant de conductivité thermique λ :

1. Vérifier que la relation est bien homogène du point de vue des unités.
2. En quoi les réponses aux questions ci-dessus justifient-elles cette relation ?

EXERCICE DE TYPE BAC :

Faire la partie 1 et la partie 2 (questions 2.1 et 2.2) de l'exercice "Transferts thermiques" Amérique du Sud 2013

Chauffage

III- A quoi sert un chauffage ?

Une question qui peut paraître saugrenue de prime abord, mais regardons d'un peu plus près...

Commençons par regarder ce qu'il se passe si on ne chauffe pas... On considère une habitation représentée ici par un bloc parallélépipédique. A l'intérieur il fait 20°C. Autour 5°C (en fait elle repose sur un sol qui n'est pas à 5°C et elle risque de récupérer aussi de la chaleur grâce au rayonnement du Soleil, et il y a aussi la chaleur dégagée par les habitants, les systèmes d'éclairage, le matériel électrique, le chat... on se propose d'oublier ces facteurs annexes...pour simplifier le problème ! Pour résumer : on a une habitation suspendue dans l'air, loin du sol, et qui ne reçoit pas de rayons du Soleil, avec personne dedans...) :

La différence de température entre l'intérieur et l'extérieur

entraîne un transfert thermique de l'intérieur vers l'extérieur :

La maison se refroidit ... et l'atmosphère se réchauffe, pas de beaucoup au vu

de ses dimensions, d'où la notation ε utilisée :

...et si on ne fait rien le phénomène va continuer :

(...et sans la présence du sol, sans le rayonnement solaire (etc) la température

intérieure tendrait progressivement vers celle de l'atmosphère)

Pour éviter cela il faut donc faire fonctionner dans la maison un système de chauffage.

On a vu que le flux thermique (ou puissance thermique) permet de matérialiser numériquement le transfert thermique qui a lieu. Et on rappelle que ce transfert thermique s'exprime en watt (W).

Si dans cette habitation, un flux thermique de 3000 W se produit lorsque la différence de température T_C - T_F  = 20 - 5 = 15°C, alors pour maintenir la température à 20°C il faudra réinjecter dans la maison cette chaleur qui s'évade, à l'aide d'un système de chauffage dont la puissance doit être de 3000 W :

...et voilà : la température à l'intérieur va être stabilisée à 20°C...

sauf que ce schéma ne fonctionne pas !!!

Il est incomplet car notre système de chauffage ne "fabrique" pas de la chaleur.

Il transforme une énergie en une autre :

• énergie électrique en chaleur (avec des résistances électriques : effet Joule)
• énergie chimique en chaleur (combustion de gaz, fioul, bois...)

... et tout cela est facturé par le "fournisseur d'énergie", calcué en kWh

puis converti en €.

Par exemple, si notre chauffage injecte une puissance thermique de 3000 W pendant 10 heures alors l'énergie fournie par le prestataire sera calculée par la relation :

Energie = Puissance x Durée

et exprimée en kWh (kilo watt heure)

• avec un chauffage électrique, c'est le compteur électrique qui mesure directement l'énergie consommée (aller lire un compteur électrique pour voir : maintenant encore plus facile avec les compteurs électroniques tels que Linky)
• avec un système de chauffage au gaz, c'est le volume de gaz fourni qui est mesuré par le compteur, et selon la qualité du gaz un coefficient de proportionnalité est appliqué par le prestataire pour donner l'équivalent énergétique en kWh converti ensuite en €.

Exercice d'application :

On travaille sur le cas de cette habitation fictive.

1- L'habitation décrite possède 3 radiateurs électriques ayant chacun une puissance de 2 kW.  Cette puissance totale n'est elle pas trop importante ?

2- Comment la régulation est-elle faite pour que la température intérieure reste fixée à 20°C ?

3- Déterminer la résistance thermique de cette habitation.

4- Que vaut le flux thermique si la température extérieure baisse et tombe à - 5°C ? Les chauffages fonctionneront-ils de façon permanente ?

5- Pour diminuer la consommation énergétique il est préconisé de régler  à 19°C la température intérieure. Par rapport au réglage de température  à 20°C, quelle économie énergétique sera réalisée, par rapport au réglage à 20°C, lorsque la température extérieure est de 5°C. Cette économie sera exprimée en %

IV- Que se passe-t-il quand on chauffe ?

C'est là où le microscopique vient aider à comprendre le macroscopique (d'où la présence du premier onglet pour rappeler le lien entre ces deux niveaux de description).

 1- Energie interne

Remarque importante : on se limite ici au cas d'un système condensé, autrement dit, un corps à l'état liquide ou à l'état solide, dont la masse reste constante (pas d'échange de matière avec l'extérieur).

On limitera alors l'étude au chauffage d'un liquide ou d'un solide

Du point de vue macroscopique, on a déjà travaillé sur différents types d'énergie pour un système condensé, et on a vu  par exemple :

• qu'il peut être en mouvement : il possède alors de l'énergie cinétique
• qu'il peut être à une altitude plus ou moins élevée par rapport à une altitude zéro de référence : il possède alors de l'énergie potentielle de pesanteur
• qu'il peut être momentanément déformé (ex un ressort) : il possède alors  de l'énergie potentielle élastique.

Si on se place au niveau microscopique maintenant, on pourra voir que les entités qui composent le système :

• sont en perpétuelle agitation: chacune d'elle possède une énergie cinétique mais qui n'apporte rien à l'énergie cinétique globale du système condensé, car ces particules se déplacent en tous sens. (L'énergie cinétique globale du système condensé celle que l'on calcule avec la relation E_C = 0,5.m.v² est due au mouvement d'ensemble du système condensé dont la masse totale m a une vitesse v dans le référentiel d'étude). Cette agitation au niveau microscopique est liée à la grandeur température que l'on mesure au niveau macroscopique :

élever la température ⇔ augmenter l'agitation des entités constituantes

(atomes, ions ou molécules)

• sont liées entre elles par des interactions :
  • interactions électrostatiques entre les ions dans les solides ioniques
  • interactions de Van der Waals entre les molécules (de forte intensité quand les molécules sont proches ce qui est le cas des systèmes condensés)
  • liaisons hydrogène X-H...Y entre l'atome d'hydrogène d'une molécule et l'atome Y d'une autre molécule

Agitation thermique et énergies d'interaction constituent

l'énergie interne U du système

 

  Remarque importante : lorsque l'on "chauffe" un système condensé, on lui apporte en fait de l'énergie.

La plupart du temps cette énergie va seulement augmenter l'agitation thermique, ce qui à notre échelle macroscopique va être perçu comme une augmentation de la température.

Mais cette énergie apportée peut également servir, à un moment donné, à modifier les interactions entre entités, ce qui aboutit à un changement d'état du système condensé.

Pour un un corps pur cela donne un diagramme de ce type :

On démarre la manipulation avec un solide que l'on "chauffe".

Au cours de cette période  de "chauffage" on trouve une alternance :

• de portions de courbe croissante : chauffer = augmenter la température
• et de paliers liés aux deux changement d'état : chauffer ≠ augmenter la température :
  • solide → liquide : la fusion
  • liquide → gaz : la vaporisation (qui peut se faire avec ébullition (exemple l'eau))

Ces changements d'état nécessitent de modifier les interactions entre entités.

Cela coûte en énergie.

L'énergie apportée pendant toute la durée du changement d'état ne modifie pas l'agitation thermique : la température reste constante.

C'est l'observation de ces paliers de changement d'état qui ont permis de créer des échelles de température.

Ainsi l'échelle Celsius a été définie sur les changements d'état de l'eau : on a décidé de graver un 0 sur le tube d'un thermomètre lorsque la glace fond et la valeur 100 lorsque l'eau liquide se met à boullir.

L'intervalle a été subdivisé en 100 parties égales donnant le °C !

2- Capacité thermique

Quand on est dans l'une des parties du graphe de changement d'état pour lequel un apport d'énergie entraîne une augmentation de température :

• quelle variation de température obtient-on quand on apporte une quantité de chaleur déterminée ?
• Avec le même apport de chaleur, est-ce la même variation de température pour tous les matériaux ?

Les réponses :

• pour un matériau donné (dans un état donné : soit solide, soit liquide), la même quantité d'énergie apportée fait augmenter la température de la même façon (par exemple, 1 kg de Zn à 20°C passera à 21°C si on lui apporte 380 J ; cette même masse, à la température de 50°C, passera à 51°C si on lui apporte également 380J)
• Si on prend maintenant 1 kg d'eau liquide, c'est 4185 J qu'il faudra lui apporter pour augmenter sa température d'1°C ... soit 11 fois plus d'énergie que pour la même masse de zinc

Le lien entre la variation d'énergie interne et la variation de température se fait à travers un coefficient de proportionnalité noté C : la capacité thermique du système condensé :

Cette capacité thermique dépend du matériau et de la quantité de matière qui s'y trouve. Pour cette raison, les tables de données fournissent pour un matériau donné :

• soit la capacité thermique massique (C_m) en J.K^-1.kg^-1 . On calcule alors la capacité thermique du système par la relation C = C_m.m où m est la masse de l'échantillon.
• soit la capacité thermique volumique (C_vol) en J.K^-1.m^-3 ou parfois en J.K^-1.L^-1. On calcule la capacité thermique du système par la relation C = C_vol.V où V est le volume du système.

Exemple de calcul :

La capacité thermique massique du cuivre vaut  C_m = 385 J.K^-1.kg^-1. Calculer la variation d'énergie interne d'un échantillon de cuivre solide de masse m = 300 g qui voit sa température augmenter de 20° C 

Réponse :

ΔU = C. ΔT     et     C = C_m.m      donnent :

ΔU = C_m.m. ΔT  

soit :   ΔU = 385 x 300.10^-3 x 20

d'où ΔU =  2310 J

Lorsqu'un système est composé de plusieurs matériaux, la capacité thermique totale du système est égale à la somme des capacités thermiques individuelles des matériaus qui le constituent :

C_TOTALE = Σ C_i

Exercice d'application : N°11 p 221 du livre de physique (TS Belin)

Pour faire du thé, il faut faire chauffer de l'eau ... mais l'eau est mise dans une casserole métallique qui voit elle aussi sa température augmenter. On a donc un système constitué de deux matériaux : le métal de la casserole et l'eau contenue dedans. (Attention aux unités !)

Exercice de type bac : finir l'exercice "Transferts thermiques" Bac S 2013 - Amérique du Sud (dernière question de la partie 2, puis la partie 3)

Machines thermiques

Ce thème développé autour de l'isolation thermique, et qui nous a amenés à étudier le rôle d'un système de chauffage, peut-être aussi l'occasion de traiter des machines thermiques, parmi lesquelles on trouvera la pompe à chaleur (PAC) qui devient un système de chauffage de plus en plus répandu en construction neuve comme en rénovation

Une machine thermique transforme :

• de la chaleur Q en travail W' (ex : un moteur à explosion d'une voiture à essence ou diesel)
• ou du travail W en chaleur Q' (ex : radiateur électrique, pompe à chaleur, réfrigérateur (non, non ce n'est pas une erreur !)

Pour représenter le fonctionnement de ces machines thermiques (et découvrir leur principe de fonctionnement, nous allons devoir représenter des diagrammes d'échanges d'énergie.

1- Le radiateur électrique :

On trouve différents modèles :

convecteur mural              convecteur à bain d'huile             radiateur rayonnant

 

Ces trois modèles fonctionnent sur un même principe de base : l'effet Joule qui a lieu dans une ou plusieurs résistances électriques parcourues par un courant.

Le diagramme énergétique est des plus simples :

L'intégralité de l'énergie électrique (W_élec) injectée dans cette machine thermique (le radiateur) est transformée en chaleur (Q')

On a donc :

Q' = W_élec

Remarque : il y a aussi ce modèle d'appoint parfois utilisé en salle de bain mais qui possède en plus un ventilateur pour une diffusion rapide de l'air chaud : ce type ne fait pas partie de notre étude car il y a aussi de l'énergie électrique apportée pour faire tourner ce ventilateur et donc Q' < W_élec :

 

2- La pompe à chaleur :

Cette machine thermique sert le plus souvent comme système de chauffage, mais elle peut être réversible et servir alors de climatisation. On la rencontre de plus en plus comme système de base de chauffage dans les constructions neuves, mais aussi en rénovation :

source : idm-climatisation

Le diagramme énergétique est plus complexe que celui du radiateur électrique :

On a représenté ici une pompe à chaleur (PAC) de type air-air : elle extrait de la chaleur de l'air extérieur, pour en réinjecter dans l'air intérieur.

Autrement dit, en fonctionnement, la PAC refroidit l'air extérieur pour réchauffer l'air intérieur.

(Remarque : pour une pompe à chaleur réversible, on fait l'inverse : on extrait la chaleur de la maison pour la réinjecter dehors. C'est alors un fonctionnement non plus en mode chauffage mais en mode climatiseur. Sur le diagramme on inverserait le sens des flèches Q et Q')

La PAC reçoit les énergies W_élec et Q et elle fournit Q'.

On a donc :

Q' = W_élec + Q

Comparaison entre le radiateur électrique et la pompe à chaleur :

• radiateur : Q' = (W_élec)_rad
• PAC : Q' = (W_élec)_PAC + Q

Pour la même quantité de chaleur Q' fournie à l'habitation par chacun de ces systèmes, cela donne :

(W_élec)_PAC + Q =  (W_élec)_rad

et donc :

(W_élec)_PAC =  (W_élec)_rad - Q

par conséquent :

(W_élec)_PAC < (W_élec)_rad

La consommation électrique que l'on a avec une pompe à chaleur est moindre qu'avec un système de chauffage basé sur des radiateurs électriques : la consommation est diminuée de l'énergie Q (qui est de la chaleur) prélevée dans l'environnement extérieur de l'habitation (l'air ou parfois le sol).

Ci-dessous un diagramme énergétique chiffré pour une PAC air-eau (la chaleur est injectée dans de l'eau qui passe ensuite dans des radiateurs d'une installation de chauffage central (remplacement d'une chaudière fioul ou gaz par une PAC) :

source : rouchenergies

Dans ce diagramme on nous annonce que cette PAC pourrait fournir 4kWh sous forme de chaleur en consommant 1 kWh d'énergie électrique. Les 3 kWh manquants étant prélevés sous forme de chaleur à l'environnement.

 On définit pour une pompe à chaleur un coefficient de conversion : le COP (coefficient de performance)

COP = Q' / W_elec

sur cet exemple, Q' = 4 kWh pour W_élec = 1 kWh ce qui ferait un COP égal à 4

Remarque : on rencontre parfois sur des annonces publicitaires que la PAC produit plus d'énergie qu'elle n'en consomme... C'est bien sûr faux du point de vue du physicien. Comme on le voit cette machine thermique ne fait que déplacer de l'énergie de l'extérieur vers l'intérieur (et on sait que cette énergie déplacée finira par retourner dans l'environnement...par le flux thermique à travers les parois (murs - toit - fenêtres - portes) de l'habitation).

Mais comment ce système fonctionne-t-il ?

La vidéo KEZAKO ci-dessous explique en quelques minutes le principe du réfrigérateur et de la pompe à chaleur.

Dans ces dispositifs, il y a un fluide caloporteur (= "fluide qui transporte de la chaleur") circulant entre l'intérieur et l'extérieur. Quand on regarde à l'arrière d'un réfrigérateur on voit ceci : une "grille" soudée sur un long serpentin, dans lequel cicule le fluide caloporteur. Le fluide passe par un moteur (c'est ce qui fait du bruit...de temps en temps) et qui est en fait un compresseur.

En dehors du réfrigérateur ce fluide est chaud : l'ensemble {serpentin-grille} joue le rôle de "radiateur" pour évacuer la chaleur prélevée dans le réfrigérateur.

  

 

Dans cette vidéo, ils ont fait un choix curieux pour ce fluide en évoquant de l'eau : ce serait mieux de comprendre à chaque fois le terme "fluide caloporteur" en remplacement du terme "eau" utilisé...) :

Sur le site KEZAKO (en lien avec l'Université de Lille)

Comment fonctionne un réfrigérateur (4 min) :

L'image ci-dessous résume les différentes parties du système visualisées dans la vidéo :

source : afpac

Exercice d'application :

• faire la représentation du diagramme énergétique d'une machine thermique de type réfrigérateur ou congélateur, puis celle d'une machine thermique de type climatiseur
• pourquoi par canicule est-il stupide d'ouvrir la porte du réfrigérateur pour se rafraîchir ?
• pourquoi le développement des climatiseurs à l'échelle mondiale est-il mauvais pour la planète .

Le corrigé est ici (mais réfléchir aux questions avant de l'ouvrir !)

Exercices de type Bac :

•   Transfert thermique lors du chauffage d'une piscine (Pondichery - 2015)
•   Bâtiment à énergie positive (Antilles 2014)

 

Ci-dessous un film qui nous apprend les difficultés que l'homme a rencontrées pour faire du froid ... une maîtrise du froid qui a eu lieu bien longtemps après la maîtrise du feu !!!

A la conquête du froid absolu (environ 1H30)

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