REFRIGERATEUR

Nous commençons par une description matérielle d'un réfrigérateur et 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 abaisser la température des aliments et à maintenir cette température.

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 la langage commun : il faut ôter de la chaleur aux aliments et les empêcher d'en reprendre.

dans le langage de le physique: Il faut effectuer un transfert d'Energie sous forme thermique. Ce

transfert se fait obligatoirement de aliments vers un autre système thermodynamique.

Quel est cet autre système thermodynamique?

En langage commun : la cuisine ou 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 a un corps chaud. Et parce que ce n'est pas spontané, cette machine fonctionner consume de l'énergie : il faut brancher le réfrigérateur pour qu'il fonctionne. En effet si on ne branche pas ou s'il y a une panne de courants...

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 tep-physique-cuisine.pagesperso-orange.fr) va nous permettre de décrire les éléments du réfrigérateur et les différentes étapes de la circulation

Réfrigérateur

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.

Réfrigérateur

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

Réfrigérateur

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 ci-dessus résume les différents éléments d’un réfrigérateur et les étapes du cycle subi par le fluide frigo gène. 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 :

Réfrigérateur

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 QF.

 . 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 QC. 

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 QF +W - QC. Comme il est revenu au même état il a même pression, même température, même volume etc. Et ce qui nous intéresse même énergie interne1, donc  ΔU = 0 donc :

 ΔU=QF+W-QC=0

Pour obtenir ce résultat, il faut dépenser le travail W. L’efficacité thermodynamique du réfrigérateur s’écrit d’abord de façon imagée puis physiquement : 

efficacité=recette÷dépense

eth=Qf÷W

Lorsque l’efficacité vaut 4, pour 1 J dépensé (fourni par le compresseur2) 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. ΔH = 0 pour la même raison que ΔU= 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.