Comment déplacer la chaleur avec un gaz
Faisons un pas de côté un instant et regardons comment les gaz se comportent. Si vous avez déjà gonflé les pneus d’un vélo, vous savez qu’une pompe à vélo devient assez chaude. Cela s’explique par le fait que les gaz s’échauffent lorsque vous les comprimez (serrez). Pour que le pneu puisse supporter le poids du vélo et de ton corps, tu dois y injecter de l’air à haute pression. Le pompage rend l’air (et la pompe par laquelle il passe) un peu plus chaud. Pourquoi ? Lorsque tu comprimes l’air, tu dois travailler très fort avec la pompe. L’énergie que vous utilisez pour pomper est convertie en énergie potentielle dans le gaz comprimé : le gaz dans le pneu est à une pression et une température plus élevées que l’air frais autour de vous. Si tu comprimes un gaz dans la moitié de son volume, l’énergie thermique que ses moléculescontenues remplit deux fois moins d’espace, donc la température du gaz augmente (il devient plus chaud).
Artwork : Les gaz deviennent plus chauds lorsque vous les comprimez dans un volume moindre, car vous devez travailler pour rapprocher leurs molécules énergétiques. Par exemple, lorsque vous gonflez un pneu de vélo, la pompe aspire l’air et le comprime dans un espace réduit. Cela force ses molécules (taches rouges) à se rapprocher et le fait chauffer.
Déplacer plus de chaleur en transformant les gaz en liquides et inversement
Si vous avez un esprit un peu inventif, vous pouvez probablement imaginer bricoler une sorte d’engin ressemblant à une pompe qui gonfle un pneu de vélo à un endroit et le dégonfle à un autre endroit, ce qui déplacerait la chaleur entre les deux. Mais c’est une idée maladroite, et on ne peut pas vraiment déplacer beaucoup de chaleur de cette manière : il faudrait notamment beaucoup d’essence. Nous pourrions cependant déplacer une quantité décente de chaleur en laissant un gaz se dilater et se contracter beaucoup plus pour qu’il se convertisse en liquide et vice-versa – en d’autres termes, en le changeant en un état différent de la matière.
Comment cela fonctionnerait-il ? Regardez ce qui se passe avec une bombe aérosol, qui contient un liquide stocké sous pression. Lorsque vous vaporisez un aérosol sur votre main, vous avez probablement remarqué qu’elle est vraiment froide. C’est en partie parce qu’une partie du liquide se refroidit et se vaporise (se transforme en gaz) lorsqu’il quitte la bombe. Mais c’est aussi parce qu’une partie du liquide entre en contact avec votre peau chaude et se vaporise à ce moment-là : il se transforme en gaz en volant la chaleur de votre corps, ce qui rend votre peau plus froide. Cela nous indique que permettre aux liquides de se dilater et de se transformer en gaz est un moyen très efficace d’évacuer la chaleur des objets. Ce n’est pas une grande surprise : c’est ainsi que fonctionne la transpiration – et c’est pourquoi les chiens tirent la langue pour se rafraîchir les jours de grande chaleur.
Photo : Les liquides peuvent se transformer en gaz (et les gaz se refroidir) lorsque vous les laissez se dilater dans un plus grand volume. C’est pourquoi les aérosols donnent une sensation de froid.
Bien que les solides et les liquides occupent à peu près la même quantité d’espace, les gaz prennent beaucoup plus de place que les uns ou les autres. Les molécules d’un solide ou d’un liquide sont assez proches les unes des autres et s’attirent avec beaucoup de force. Lorsqu’un liquide se transforme en gaz, ou se vaporise, certaines de ses molécules les plus énergétiques se séparent et se brisent. Pour que cela se produise, il faut beaucoup d’énergie, connue sous le nom de chaleur latente de vaporisation, et cette énergie doit provenir du liquide lui-même ou de quelque chose à proximité. En d’autres termes, transformer un liquide en gaz est un moyen d’extraire l’énergie de quelque chose, tandis que transformer un gaz en liquide est un moyen de libérer à nouveau cette énergie. C’est essentiellement de cette manière que les réfrigérateurs déplacent la chaleur de leur armoire de refroidissement vers la pièce extérieure. Ils transforment un liquide en gaz à l’intérieur de l’armoire de refroidissement (pour capter la chaleur des aliments stockés), le pompent à l’extérieur de l’armoire et le changent à nouveau en liquide (pour libérer la chaleur à l’extérieur).
Animation : L’idée de base de ce que l’on appelle parfois la réfrigération mécanique. À l’intérieur d’un réfrigérateur (1), nous changeons un liquide en gaz pour capter la chaleur de l’intérieur de l’armoire frigorifique (2), la pomper à l’extérieur de la machine, puis le changer à nouveau en liquide pour y libérer sa chaleur (3).
Le cycle de chauffage et de refroidissement
En comprimant les gaz en liquides, nous pouvons libérer de la chaleur ; en laissant les liquides se dilater en gaz, nous pouvons absorber la chaleur. Comment pouvons-nous utiliser cette astuce de physique pour transférer la chaleur de l’intérieur d’un réfrigérateur vers l’extérieur ? Supposons que nous fabriquions un tuyau qui soit en partie à l’intérieur et en partie à l’extérieur du réfrigérateur, et que nous le fermions hermétiquement pour qu’il forme une boucle continue. À l’intérieur du réfrigérateur, nous pourrions faire en sorte que le tuyau s’élargisse soudainement, afin que le liquide de refroidissement se transforme en gaz et refroidisse l’armoire frigorifique en circulant à travers. À l’extérieur du réfrigérateur, nous pourrions utiliser une pompe à vélo pour comprimer le gaz, libérer sa chaleur et le retransformer en liquide. Si le produit chimique circulait en boucle, se dilatant lorsqu’il était à l’intérieur du réfrigérateur et se comprimant lorsqu’il était à l’extérieur, il capterait constamment la chaleur de l’intérieur et la transporterait vers l’extérieur comme un tapis roulant thermique. De cette façon, nous pourrions constamment déplacer la chaleur d’un endroit froid (à l’intérieur du réfrigérateur)vers un endroit plus chaud (à l’extérieur), ce qui n’est pas quelque chose que les lois de la physique permettent de faire automatiquement(laissé à lui-même, la chaleur s’écoule des choses plus chaudes vers les plus froides).
Et, surprise surprise, c’est presque exactement comme cela que fonctionne un réfrigérateur. Il y a quelques détails supplémentaires qui méritent d’être notés. À l’intérieur de therefrigerator, le tuyau se dilate à travers une buse connue sous le nom de soupape d’expansion (plus techniquement, c’est ce qu’on appelle un orifice fixe). Lorsque le liquide de refroidissement le traverse, il se refroidit considérablement et se transforme en partie en gaz. Ce phénomène scientifique est parfois appelé effet Joule-Thomson (ou Joule-Kelvin), du nom des physiciens qui l’ont découvert, James Prescott Joule (1818-1889) et William Thomson (Lord Kelvin, 1824-1907). Vous ne serez pas surpris de découvrir que le compresseur à l’extérieur du réfrigérateur n’est pas vraiment une pompe à vélo ! Il s’agit en fait d’une pompe électrique. C’est ce qui fait ronronner un réfrigérateur de temps en temps. Le compresseur est attaché à un dispositif en forme de grille appelé condenseur(une sorte de radiateur fin derrière le réfrigérateur) qui expulse la chaleur indésirable.
Photo : L’air humide à l’intérieur de votre réfrigérateur contient de la vapeur d’eau. Lorsque le réfrigérateur refroidit, cette eau se transforme en glace. La partie la plus froide de votre réfrigérateur est la glacière située en haut. C’est parce que la soupape d’expansion est placée juste à côté.
Photo : Voici le compresseur d’un réfrigérateur typique. Notez les tuyaux transportant le liquide de refroidissement d’un côté et de l’autre. Vous ne pouvez pas voir cette unité à moins de tirer votre appareil du mur, car elle est rangée autour de l’arrière et en bas. Voyez d’autres photos de cet appareil dans l’encadré ci-dessous.