Réfrigérateur Page 1/5 REFRIGERATEUR

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1 Réfrigérateur Page 1/5 REFRIGERATEUR Nous commençons par une description matérielle d un réfrigérateur et de son fonctionnement puis la description devient celle de la Physique et se conclut par l étude des échanges d énergie sous forme thermique et sous forme de travail. Première approche A quoi sert un réfrigérateur? Dans le langage commun : à refroidir des aliments et à les maintenir froids. Dans le langage de la Physique : à abaisser la température des aliments et à maintenir cette température. Que faut-il faire pour refroidir les aliments? Dans le langage commun : il faut ôter de la chaleur aux aliments et les empêcher d en reprendre. Dans le langage de la Physique : Il faut effectuer un transfert d énergie sous forme thermique. Ce transfert se fait obligatoirement des aliments vers un autre système thermodynamique. Quel est cet autre système thermodynamique? En langage commun : la cuisine où se trouve le réfrigérateur. En langage de la Physique : l air ambiant. Première conclusion A ce stade, dans le langage commun, nous pouvons dire qu un réfrigérateur refroidit les aliments et chauffe la cuisine! Insistons, il refroidit l intérieur du réfrigérateur et chauffe l extérieur. C est-à-dire qu il refroidit ce qui est le plus froid et chauffe ce qui est le plus chaud. Ceci n est pas évident : ce qu on constate facilement c est que la chaleur passe spontanément d un corps chaud vers un corps froid, pas l inverse. C est pourquoi on a besoin d une machine pour obtenir que de la chaleur passe d un corps froid à un corps chaud. Et parce que ce n est pas spontané, cette machine pour fonctionner consomme de l énergie : il faut brancher le réfrigérateur pour qu il fonctionne. En effet si on ne le branche pas ou s il y a une panne de courant Deuxième approche : Description physique du fonctionnement d un réfrigérateur Comment un réfrigérateur parvient-il à refroidir les aliments? On fait circuler un fluide (dit frigorigène ou réfrigérant) entre les différents éléments d un réfrigérateur. Le mot fluide désigne un gaz ou un liquide. En l occurrence ce fluide passe de l état liquide à l état gazeux et inversement pendant qu il circule. Le schéma ci-après (Cette image provient de tpe-physique-cuisine.pagesperso-orange.fr) va nous permettre de décrire les éléments du réfrigérateur et les différentes étapes de la circulation

2 Réfrigérateur Page 2/5 du fluide. Le fluide effectue une boucle puis recommence tant que le réfrigérateur fonctionne. Nous pouvons donc commencer la description en n importe quel endroit de la boucle. Commençons par l évaporateur. C est le serpentin (représenté en bleu) placé dans le compartiment intérieur du réfrigérateur. Le fluide est à basse température (-10 C, ordre de grandeur) et à basse pression (ordre de grandeur 100 kpa). Les aliments lui cèdent de l énergie sous forme thermique. L énergie reçue le fait passer peu à peu de l état liquide à l état gazeux. La forme en serpentin a pour but d augmenter la surface de contact entre le fluide et le compartiment intérieur ce qui facilite les échanges thermiques.

3 Réfrigérateur Page 3/5 Vient alors le compresseur (représenté en gris). On l entend quand il fonctionne. Il fait passer le gaz d un état de basse température et basse pression à un état de haute pression (ordre de grandeur 1000 kpa) et haute température (environ 40 C). Il faut fournir de l énergie au compresseur pour qu il fonctionne. C est pourquoi on alimente électriquement le réfrigérateur. Dans le compresseur le fluide reçoit de l énergie sous forme de travail. Puis vient le condenseur. C est le serpentin (représenté en rouge) situé à l arrière et à l extérieur du réfrigérateur. Le gaz comprimé et chaud cède de l énergie sous forme thermique à l air ambiant. De ce fait il passe peu à peu de l état gazeux à l état liquide. Enfin vient le détendeur. C est une portion de canalisation de faible diamètre (1 à 2 mm) qui provoque la détente. Il fait passer le fluide d un état liquide de haute pression et haute température à un état de mélange liquide-gaz de basse pression et basse température. Et tout peut recommencer car le fluide a subi et subira un cycle de transformations thermodynamiques. Troisième approche : Etude des échanges d énergie Schéma du fonctionnement d un réfrigérateur

4 Réfrigérateur Page 4/5 On ne dessine pas un réfrigérateur chaque fois que l on veut raisonner sur son fonctionnement. Comme pour un circuit électrique, il y a des symboles pour chacun des éléments. Le schéma cidessus résume les différents éléments d un réfrigérateur et les étapes du cycle subi par le fluide frigogène. Les flèches rouge et bleue désignent les transferts thermiques, la flèche verte le transfert de travail. Les échanges d énergies Pour parler des échanges d énergie, il faut préciser le système thermodynamique choisi. Il s agit d une masse m déterminée de fluide réfrigérant. Il faut aussi choisir l état initial et l état final. Dans l état initial la masse m de fluide est à l entrée de l évaporateur et dans l état final elle est revenue au même endroit. (C est notre choix, on peut faire commencer le cycle ailleurs.) Le fluide échange de l énergie sous forme thermique avec deux parties du milieu extérieur, les aliments et l air ambiant. Les aliments sont à basse température, l air ambiant à haute température. Les aliments sont appelés source thermique froide, l air ambiant source thermique chaude. Le fluide reçoit aussi de l énergie sous forme de travail de la part du compresseur. Voici un schéma mettant en évidence les échanges d énergies :

5 Réfrigérateur Page 5/5 Au cours de sa circulation : Le système reçoit de l énergie sous forme thermique de la part de la source thermique froide. Ce transfert thermique est noté Q F. Le système reçoit de l énergie sous forme de travail dans le compresseur. Ce travail est noté W. Le système cède de l énergie sous forme thermique à la source thermique chaude. Ce transfert thermique est noté Q C. Insistons sur le fait qu un transfert thermique ne se fait pas spontanément d une source thermique froide vers une source thermique chaude d où la nécessité d une machine et d un transfert d énergie sous forme de travail pour la faire fonctionner. Bilan des échanges d énergies Au cours du cycle le système a reçu Q F +W - Q C. Comme il est revenu au même état il a même pression, même température, même volume etc. Et ce qui nous intéresse même énergie interne 1, donc U = 0 donc : U Q W Q 0 F C Dans un réfrigérateur ce qui nous intéresse c est l énergie cédée par les aliments sous forme thermique : Q Q W F C Pour obtenir ce résultat, il faut dépenser le travail W. L efficacité thermodynamique du réfrigérateur s écrit d abord de façon imagée puis physiquement : recette efficacité dépense e Th QF W Lorsque l efficacité vaut 4, pour 1 J dépensé (fourni par le compresseur 2 ) le réfrigérateur extrait 4 J des aliments. Ou en unité usuelle pour EDF, pour 1 kwh dépensé (fourni par le compresseur) le réfrigérateur extrait 4 kwh des aliments. 1 En fait, c est l enthalpie H qui nous intéresse pour tenir compte du travail des forces pressantes exercées par le reste du fluide sur notre système. H = 0 pour la même raison que U= 0. 2 La dépense réelle est en fait supérieure car il faut tenir compte de différentes pertes, par effet Joule dans le circuit électrique, par frottements dans le compresseur L efficacité réelle est donc inférieure à l efficacité thermodynamique.