La thermodynamique décrit l'action de la chaleur et d'autres types d'énergie, ainsi que leur relation. C'est un sujet qui semble un peu intimidant à première vue. Cependant, si vous comprenez la théorie de la thermodynamique dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), vous serez en mesure de comprendre immédiatement comment et pourquoi les systèmes fonctionnent, et comment ils sont le mieux appliqués.
6 bases du transfert de chaleur
Pour comprendre les principes de la thermodynamique, il faut d'abord comprendre six concepts relatifs à la chaleur et au transfert de chaleur.
1) Le froid est l'absence de chaleur. Pour rendre quelque chose froid, il faut lui enlever de la chaleur.
2) La chaleur et la température sont deux choses différentes :
- La chaleur est le flux d'énergie d'un objet, d'un système ou d'un lieu à un autre.
- La température mesure l'énergie cinétique interne d'un objet.
3) La chaleur se déplace naturellement d'une zone chaude vers une zone plus froide.
4) La chaleur se déplace de trois manières.
- La conduction est le transfert de chaleur d'un objet à un autre par contact direct.
- La convection est le transfert de chaleur d'un objet à l'environnement, à travers un gaz ou un liquide, d'une température élevée à une température basse.
- Le rayonnement est le transfert de chaleur par radiation électromagnétique.
5) Un changement de phase se produit lorsque quelque chose passe d'un état à un autre, par exemple la glace (solide) fond en eau (liquide) qui peut s'évaporer en vapeur (gaz).
6) Plus la différence de température entre deux milieux est importante, plus le transfert de chaleur est rapide.
Les lois de la thermodynamique
La bonne nouvelle, c'est qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un diplôme scientifique pour comprendre le fonctionnement des systèmes CVC. Il existe quatre lois de la thermodynamique au total : la loi zéro, la première, la deuxième et la troisième loi. La loi zéro a été la dernière à être découverte, mais elle sous-tend les trois autres lois, d'où son nom et son ordre de préséance.
Si les première et deuxième lois sont faciles à comprendre, les deuxième et troisième lois se rapportent à ce que l'on appelle l'entropie, qui est la mesure du désordre d'un système. Bien que tout cela semble très complexe, l'entropie est une mesure de l'éparpillement de l'énergie. L'énergie est utile lorsqu'elle est concentrée, mais lorsqu'elle se disperse, elle n'est plus utile. Par exemple, si nous brûlons une bûche, l'énergie concentrée dans la bûche est libérée dans l'air ambiant. Cette énergie est toujours présente (dans l'atmosphère), mais elle ne sert plus à rien.
La loi zéro de la thermodynamique
Ce qu'elle dit : La loi du zéro stipule que si deux systèmes thermodynamiques sont chacun en équilibre thermique avec un troisième système, alors ils sont en équilibre thermique l'un avec l'autre.
Ce que cela signifie : Si deux objets sont à la même température, ils n'échangeront pas de chaleur.
Exemple : La nourriture et les boissons dans un réfrigérateur seront à la même température que l'air dans le réfrigérateur. Tous sont en équilibre thermique et il n'y a pas de transfert de chaleur entre les substances.
Première loi de la thermodynamique
Ce qu'elle dit : La première loi stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite.
Ce qu'elle signifie : Connue également sous le nom de loi de la conservation de l'énergie, elle explique que l'énergie ne peut être transférée ou modifiée que d'une forme à une autre.
Exemple : Un four électrique convertit l'électricité en énergie thermique. Cent unités d'énergie électrique se transformeront en cent unités d'énergie thermique pour cuire vos aliments.
Deuxième loi de la thermodynamique
Ce qu'elle dit : La deuxième loi stipule que l'entropie de tout système isolé augmentera toujours avec le temps.
Ce que cela signifie : L'énergie se répand toujours. La chaleur se déplacera toujours d'une zone chaude vers une zone plus froide, mais elle ne circulera pas spontanément d'une zone froide vers une zone chaude.
Exemple : Dès que vous sortez un plat fraîchement cuit du four, il perd de la chaleur. La chaleur se déplace de la nourriture chaude vers l'assiette plus froide et l'air plus froid qui l'entoure.
Troisième loi de la thermodynamique
Ce qu'elle dit : Lorsque la température s'approche du zéro absolu*, l'entropie d'un système s'approche d'un minimum constant.
Ce que cela signifie : Lorsque vous atteignez le zéro absolu, il ne reste plus d'énergie thermique. La chaleur ne peut pas être transférée à une autre substance et il n'y a donc pas d'énergie à diffuser. L'entropie atteint donc également un point zéro.
Exemple : Les molécules de vapeur se déplacent rapidement et l'entropie est élevée. Si la vapeur se refroidit en dessous de 100oC, elle subira un changement de phase, passant du gaz à l'eau liquide. Les molécules de l'eau se déplacent moins vite que celles de la vapeur et son entropie est plus faible. Si l'eau est refroidie en dessous de 0°C, elle subit un autre changement de phase, passant de l'état liquide à l'état de glace solide. Le mouvement des molécules diminue encore, tout comme l'entropie. Si cette glace est refroidie jusqu'au zéro absolu, l'entropie devient également nulle.
*0o Kelvin, -273,15oC ou -459,67oF.
Nous avons appris que
- Différents types d'énergie peuvent être convertis les uns en les autres.
- La chaleur se déplace naturellement d'une zone chaude vers une zone plus froide, mais si les objets sont à la même température, il n'y a pas de transfert de chaleur.
- La quantité d'énergie utile qu'une substance perd est affectée par la température.
En utilisant ces principes dans le cycle thermodynamique, le mouvement de la chaleur peut être contrôlé et utilisé à notre avantage.
Le fluide frigorigène et le cycle thermodynamique
Le réfrigérant est une substance extrêmement utile. Son point d'ébullition est bas et il peut être facilement manipulé pour absorber et libérer de la chaleur. Lorsque vous augmentez la pression sur le réfrigérant, sa température et son activité cinétique interne augmentent également. Lorsque vous diminuez la pression du fluide frigorigène, sa température et son énergie cinétique interne diminuent.
Dans les systèmes CVC, le réfrigérant circule à travers des composants qui modifient non seulement sa pression et sa température, mais aussi son état physique. Le fluide frigorigène passe d'un état liquide à un état gazeux et vice versa, absorbant et libérant ainsi de la chaleur.
Thermodynamique des refroidisseurs et des pompes à chaleur
Le cycle thermodynamique des systèmes de refroidissement et des pompes à chaleur est exactement le même. Le cycle peut être utilisé pour le chauffage ou le refroidissement, en utilisant un cycle de compression de vapeur. Dans un système simple, il se compose de quatre éléments principaux :
Le compresseur : Le compresseur est le cœur du système et entraîne l'ensemble du processus de réfrigération. Le gaz réfrigérant à basse pression (vapeur saturée) entre dans le compresseur et est comprimé en un gaz chauffé à haute pression (vapeur surchauffée). Ce gaz frigorigène chaud s'écoule ensuite vers l'élément suivant du système, à savoir le condenseur.
Condenseur : le condenseur est un échangeur de chaleur qui fait également passer le réfrigérant de l'état gazeux à l'état liquide. Dans le condenseur, la vapeur surchauffée est condensée en un liquide à haute pression (liquide saturé), lorsqu'elle échange de la chaleur indésirable avec de l'eau ou de l'air. Ce changement d'état libère de la chaleur latente et sous-refroidit le réfrigérant.
Dans le processus de refroidissement d'un système de refroidissement, le condenseur agit comme un échangeur de chaleur pour libérer la chaleur indésirable dans l'atmosphère par l'intermédiaire de l'air ou de l'eau.
Dans le processus de chauffage d'un système de pompe à chaleur, cette chaleur est échangée pour être utilisée dans les circuits de chauffage et d'eau chaude du bâtiment.
Détendeur : Le fluide frigorigène liquide à haute pression passe ensuite par un détendeur. Ce dernier réduit la pression, ce qui diminue la température et produit un liquide frigorigène froid et à basse pression.
Évaporateur : Le liquide frigorigène froid et à basse pression pénètre dans l'évaporateur. Comme le condenseur, l'évaporateur est un échangeur de chaleur qui provoque un changement d'état du réfrigérant. Le réfrigérant absorbe la chaleur de l'air ou de l'eau, ce qui le fait bouillir et s'évaporer en un gaz à basse pression (vapeur saturée). Ce changement d'état absorbe la chaleur, laissant l'air ou l'eau refroidis.
Le gaz à basse pression passe de l'évaporateur au compresseur et le cycle recommence.
Dans le processus de refroidissement d'un système de refroidissement, la chaleur est échangée entre le réfrigérant dans l'évaporateur et les circuits de refroidissement (boucle d'eau glacée).
Dans le processus de chauffage d'un système de pompe à chaleur, la chaleur est échangée entre le réfrigérant et l'air ou l'eau ambiants.
Nous espérons que vous avez maintenant une meilleure compréhension de la thermodynamique des pompes à chaleur et des systèmes de refroidissement. Mais avant de partir, il y a encore une chose que vous devez savoir, c'est comment choisir le produit CVC le mieux adapté à vos besoins.
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