Fonctionnement d'un frigo
Explication scientifique: le froid et le chaud
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Explications scientifiques

Avant d'expliquer le fonctionnement d'un frigo, je dois vous expliquer ce qu'est la chaleur et le froid. La température que nous mesurons est en fait une mesure du mouvement des molécules. Plus il fait chaud, et plus les molécules sont mobiles. La température que nous mesurons est une indication du nombre de collisions.

Les réactions chimiques sont plus rapides à une température plus élevée, car il y a plus de collisions entre les molécules. Une réaction chimique ne peut bien sur avoir lieu que si les corps sont en mesure de réagir entre eux. La poudre à canon (un mélange explosif) est stable parce que les molécules ne bougent pas (les produits sont solides). Il faut apporter de la chaleur pour faire démarrer la réaction.

Prenons l'exemple de l'eau pour vous expliquer le chaud et le froid. A température ambiante, les molécules sont les unes près des autres, un peu comme des billes dans un bac. Plus l'eau est froide, et moins les molécules sont actives. Si on continue le refroidissement, il arrive un moment où l'énergie cinétique des molécules est devenue si faible qu'elle est inférieure aux forces de Vanderwaals. Les molécules se collent les unes aux autres et forment un réseau: l'eau est gelée.

Quand on échauffe un liquide, on augmente l'énergie cinétique des molécules. Des molécules peuvent s'échapper du bain: c'est l'évaporation. L'évaporation se produit à une température plus basse que la température de vaporisation. Si la température continue à monter, l'évaporation devient plus intense et le liquide se met à bouillir.

L'évaporation

L'évaporation extrait de la chaleur à l'environnement. Une peau humide donne une impression de froid parce que l'eau s'évapore. L'explication scientifique est simple. L'évaporation se produit grâce à l'énergie cinétique des molécules du liquide. Ce sont en moyenne les molécules les plus énergétiques qui s'échappent du bain. Ce qui reste, ce sont les molécules moins énergétiques, donc plus "froides". C'est ainsi qu'un liquide se refroidit par l'évaporation ou la vaporisation: les molécules qui s'échappent prennent avec elles l'énergie cinétique, et donc la chaleur.

L'évaporation est plus rapide quand la pression athmosphérique est plus faible: les molécules dans le liquide sont moins entravées quand elles quittent le liquide. Quand la pression augmente, il y a plus de molécules dans la forme gazeuse, ce qui fait que les molécules qui s'échappent sont repoussées dans le bain. L'eau boût à 80° en montagne, tandis que l'eau d'un fer à repasser avec boiler atteint 130°.

Résumé:

  • Le température est une mesure du nombre de collisions des molécules entre elles
  • L'évaporation affecte statistiquement plus les molécules ayant plus d'énergie cinétique, ce qui laisse dans le bain des molécules avec moins d'énergie, donc des molécules plus froides.

Compression et expansion

Quand on comprime un gaz, on force les molécules plus près les unes des autres. Il y a donc plus de collisions des molécules entre elles: la température augmente. L'effet inverse se produit aussi: quand on détend un gaz, il se refroidit. On remarque ce phénomène dans les compresseurs d'air: l'air en sortie de la pompe est plus chaud et le compresseur est équipé d'ailettes pour évacuer la chaleur.


Mon premier frigo est équipé d'un compresseur d'1.5kW. On vous le fournit sur une palette. On vous garantit qu'il produit au moins trois glaçons par 24 heures.
Hélas, très peu d'acheteurs...
Avec ce que nous savons, nous pouvons maintenant fabriquer notre premier frigo: un compresseur et un grand réservoir où l'air comprimé peut refroidir. Un détendeur laisse passer un filet d'air dans la partie basse pression. Pour éviter a contamination, nous utilisons le même air en circuit fermé.

Notre système fonctionne! Il peut même fabriquer des glaçons!

Hélas, pas d'acheteurs...

Qu'est ce qui cloche? Nous avons oublié que l'air a une température spécifique très basse: l'air se réchauffe rapidement et se refroidit tout aussi rapidement, mais n'entraine pas beaucoup de chaleur avec lui (c'est pour cela qu'il y a de l'eau chaude qui circule dans les radiateurs, et pas de l'air!)

Un effet identique se remarque avec les frigos qui ont perdu leur gaz: le compresseur tourne encore, mais ne refroidit pratiquement plus.

Nous pouvons par contre utiliser un autre phénomène que nous avons décrit: la condensation et la vaporisation!

Nous utilisons un gaz qui se liquéfie sous pression, par exemple du butane ou du pentane. Nous remplaçons l'air du circuit par ce gaz.

Le compresseur compresse à nouveau le gaz. Le gaz chauffe et la chaleur est évacuée par convection à l'arrière du frigo. La pression est suffisamment élevée pour que le gaz refroidi se liquéfie spontanément dans le condenseur. Les molécules de gaz somt tellement comprimées qu'elles s'agglutinent: elles forment des goutelettes qui sont récoltées en bas du condenseur. La condensation produit de la chaleur: en effet les molécules passent d'un niveau de haute énergie cinétique (le gaz) à un niveau de basse énergie cinétique (le liquide). L'énergie n'est pas perdue mais est dissipée dans l'environnement. L'arrière du frigo est chaud.

En bas du condenseur, nous avons du pentane ou du butane liquide. Le liquide passe dans un fin tuyau (un capillaire). La pression chute fortement et le liquide se met à bouillir (on l'entend bouillir même à l'extérieur du frigo). En effet, les molécules ont plus facile à s'échapper du liquide quand la pression est abaissée.

Résumé:

  • Nous pouvons utiliser la compression et l'expansion d'un gaz pour produire ou extraire de la chaleur.
  • Un gaz comme l'air a une température spécifique si basse qu'il ne permet par d'évacuer beaucoup de chaleur.
  • Nous utilisons plutôt la liquéfaction et l'évaporation.

On peut utiliser pratiquement tous les "gaz" dans un frigo. Le butane est pratiquement idéal car on peut le rendre liquide à une pression relativement basse. Il faut une pression plus forte pour liquéfier de l'ammoniac. La pression de fonctionnement des fréons (maintenant interdits) se situe entre celle du butane et celle de l'ammoniac. Si on veut utiliser de l'air, il faut une pression extrèmement élevée.

La quantité de "gaz" dans le frigo est très basse, quelques grammes suffisent (le fond d'une tasse).

Le "rendement" d'un frigo est élevé: avec 1kW nous produisons 3× plus de chaleur (ou de froid) qu'avec une résistance de chauffe. Il est donc plus interessant de se chauffer avec une climatisation qu'avec un chauffage électrique simple.

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