Éléments de thermodynamique et concept d'exergie - … · matière est animée d’un...

HEP-Vaud Diactique des sciences Jean-Claude Noverraz

Rubriques Liste documents par compétnce

Éléments de

thermodynamique

et concept d'exergie

Extrait de l'Atelier 16 Exergie PAC Chauffage electr.

à disposition dans le dossier ATELIERS ENERGIE

avec, ici, en format mp4, une séquence vidéo d’une

emission de la RTS A Bon Entendeur (critique facétieuse

d'une publicité mensongère pour un chauffage

électrique).

- Le concept d'exergie ou comment comparer

chauffage à mazout, chauffage électrique et

chauffage par pompe à chaleur…

- Explication concernant la pompe à chaleur

- Critique de publicités pour du chauffage électrique

16/08/2015

Ce dossier fournit une vulgarisation relative au 2ème principe de la thermodynamique

et à ses conséquences lorsqu'on veut comparer des systèmes transformateurs

d'énergie en prenant en compte une dimension écologique. Ce 2ème principe permet

de définir une grandeur appelée exergie qui quantifie la qualité d'une énergie. Pour

aider à comprendre cette notion d’exergie, le professeur Lucien Borel1 a représenté

les systèmes de soutirage d’énergie au moyen de dessins mettant en scène des

personnages qui sont des paquets d’énergie. Ce document présente quelques-uns

de ces dessins.

Ce dossier comporte en outre un document explicatif concernant la pompe à chaleur

et des documents relatifs à une analyse critique de publicité pour des radiateurs

électriques.

1 Lucien Borel a été professeur à l’EPFL jusqu’en 1998 puis professeur émérite et a écrit de nombreux ouvrages tantdestinés aux spécialistes qu’à un plus large public

Théorie e

nseig

nant

Compétence

Lot matériel

Enseignement de l’énergie

HEP-Vaud - j-Claude Noverraz - m. à j. 04.08.2016

Unpetitpeudethermodynamiqueoucommentcomparerchauffageàmazout,chauffageélectriqueetchauffageparpompeàchaleur…LerendementdeCarnotLetexteindentéci-dessousesttiréde:https://fr.wikipedia.org/wiki/Deuxième_principe_de_la_thermodynamique

Ledeuxièmeprincipedelathermodynamique(égalementconnusouslenomdedeuxièmeloidelathermodynamiqueouprincipedeCarnot)établitl'irréversibilitédesphénomènesphysiques,enparticulierlorsdeséchangesthermiques.C'estunprinciped'évolutionquifuténoncépourlapremièrefoisparSadiCarnoten1824.Iladepuisfaitl'objetdenombreusesgénéralisationsetformulationssuccessivesparClapeyron(1834),Clausius(1850),LordKelvin,LudwigBoltzmannen1873etMaxPlanck[…],toutaulongduXIXesiècleetau-delàjusqu'ànosjours.

Cedeuxièmeprincipedécritunefonctiond'étatappeléeentropieetdésignéeparlalettreS.CettegrandeurSestunemesuredel’étatdedésordredelamatière.Savaleurestgrandelorsquelesmoléculess’agitententoutsens(énergiethermique);elleestpluspetitesilamatièreestaniméed’unmouvementd’ensemble(énergiemécanique).Enthermodynamiqueonparleparfoisd’énergienobleetd’énergiedégradée.L’énergieestdite“noble”,siellepeutêtreentièrementdégradéeenchaleur.L’énergiecinétiqued’unerouequitourneoud’unvéhiculequirouleestnoble(entropierelativementbasse).L’énergieélectriqueestnoble.L’énergiethermiquelibéréeparlaflammed’uncombustiblen’estpasnoble(entropierelativementélevée),maisellen’estpasentièrementdégradéedanslamesureoùl’onpeutladégraderencorepoursechaufferouensoutirerunepartiepourobtenirdel’énergienoble.L’énergiethermiquelibéréedansl’environnementàlatempératureambianteetquinepeutplusêtreexploitéepourqu’unepartienobleensoitsoutiréeestconsidéréecommecomplétementdégradée.Maisellen’estpasconsidéréecommeentièrementdégradéesionentiredelachaleurgrâceàunepompeàchaleuretqu’onladégradeàunetempératureplusbassequelatempératureambiante.Ilestdoncpossibledesoutirerdelachaleuroudel’énergienoblesousformemécaniqueouélectriqueàpartird’unesourcedechaleuràconditiondefairetransiterl’énergiethermiqueentreunesourcechaudedetempératureTc(cpourchaude)etunesourcefroidedetempératureTf(fpourfroideoufinale)dansunsystème(moteur,machine,centrale).Ledeuxièmeprincipedelathermodynamiqueveutqueseuleunepartdecetteénergiethermiquepeutêtre“anoblie”.Ilesteneffetimpossibledeconvertirl’entierd’uneénergied’agitationdésordonnéeenunmouvementordonné.Onpeuts’imaginerqueseulelacomposantedesvitessesd’agitationquiestorientéedansunedirectiondonnéeparticipedumouvementattendu,lerestedemeurantdelachaleur(penseraupistond’unmoteuràexplosionouàvapeur).Carnotaétabliquelapartmaximumd’énergiepouvantêtresoutiréelorsdutransfertd’énergieentreunesourcechaudeetunesourcefroideestdonnéeparlarelation

η = 1 - Tf

Tc

ηestcequ’onappellelerendementdeCarnot.Lestempératuressontlestempératuresabsoluesdoncexpriméesenkelvins.LethermodynamicienLucienBorels’est,entreautres,intéresséauxsystèmesdeproductiondechaleurpourlechauffageoulaproductiond’eauchaude.Lapartd’énergie


noblequerecèleunesourcedonnéeestappeléesonexergie.Cellecidépenddestempératuresentrelesquellesl’énergiethermiqueestsignificative.Iladéfiniunrendementexérgétiquehparlarelation

h = e ( 1 - Tf

Tc

)

danslaquelleeestl’efficacitéénergétique,c’estàdirelaproportiond’énergieutilequisortdusystèmeparrapportàl’énergieconsomméeentrantdanslesystème,Tfestlatempératurefinaleutile(températuredeslocauxchauffésoudel’eauchaudeobtenue),Tcestlatempératuredelasourcechaudeàlaquellel’énergieestfournie.Pouraideràcomprendrecettenotiond’exergie,LucienBorelareprésentélessystèmesdesoutiraged’énergieaumoyendedessinsmettantenscènedespersonnagesquisontdespaquetsd’énergie.Ilaaffublécespersonnagesd’uneauréolelorsquel’énergiequ’ilsreprésententestnoble.Cespersonnagesévoluentduhautdesdessinsverslebasselonunegradationquiexprimelatempératureàlaquellesepassentlesévénementsproduitsdanslesystème.Toutenhaut,latempérature,cellequicorrespondàdel’énergienoble,estinfinie(T=�).Toutenbas,cellequicorrespondàdel’énergiedégradée,estde0°C(T=273K).�LesefficacitésénergétiqueseprisesencompteparLucienBorelsontde• 80%pourunchauffageàmazoutcar20%del’énergies’échappeparlacheminéeet

sousformed’autrespertes.• 100%pourunchauffageélectriquecarl’énergieélectriqueestentièrement

transforméeenchaleur.• 400%pourpompeàchaleur,cequiveutdirequelethermodynamicienadmetqu’elle

produit4foisplusd’énergiequ’elleenconsommeauréseauélectrique.Pourlestempératures,LucienBorelafaitleschoixsuivants:

• Tfestconsidéréecommeétantde20°Cc’estàdire293K,etdésignéeparTLpourtempératuredeslocauxchauffés,

• Tfestparfoisde70°Cc’estàdire343K,etdésignéeparTEpourtempératuredel’eauchauffée.

• Tcestadmisà0°C(valeurstandard)c’estàdire273K,etdésignéeparTApourtempératuredel’atmosphère.


DesdessinsexplicatifsproposésparleprofesseurLucienBorel

L’énergiefinaleutileestlivréepourlechauffagedeslocaux.Savaleurrésidedanslefaitqu’ellemaintientlatempératuredeslocauxchauffésà20°Cau-dessusdelatempératuredel’atmosphère,températurede0°Càlaquellecetteénergiesedégraderafinalement.C’estpourquoilecalculsefaitavecTL=293KetTA=273K

L’énergiefinaleutileestdel’électricité.C’estdel’énergienobleetlatempératurecorrespondanteestinfinie(Tf=∞)alorsquelesystèmefonctionneenpuisantdel’énergied’unesourcefroideà0°C.(TA=273K)


Important!Quelsquesoientlesargumentsdescommerçantsquivendentdeschauffagesélectriques,aucundeceschauffagesnepeutavoirunrendementénergétiquemeilleurqu’unautre.

Remarque:Lapompeàchaleurreprésentéeicipuisedel’énergieàlatempératurede0°C.Onpourraitimaginerunepompeàchaleurpuisantsonénergieàuneplusbassetempérature(casdesfrigosoucongélateurs).


Pompe à chaleur (PAC)

Principe : Capter de l’énergie dans une source froide pour l’injecter dans le circuit de chauffage. Comme ce transfert est « contre nature », il faut fournir de l’énergie pour qu’il ait lieu. Cette énergie fournie alimente un compresseur. (Le texte qui suit est tiré de : http://fr.wikipedia.org/wiki/Pompe_à_chaleur) La PAC dispose de quatre organes principaux (cf. schéma ci-dessous) :

1. le condenseur (source chaude) : le fluide frigorigène libère sa chaleur au fluide secondaire (eau, air...) en passant de l'état gazeux à l'état liquide,

2. le réducteur de pression (souvent improprement appelé détendeur) : il réduit la pression du fluide frigorigène en phase liquide.

3. l'évaporateur (source froide) : la chaleur est prélevée au fluide secondaire pour vaporiser le fluide frigorigène.

4. le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant

Dessin tiré de : http://www.encyclopedie-gratuite.fr/Definition/Technique/images/pompe-chaleur.jpg


Publicitédiffuséeen1993(ÉmissionRTSABEdu25.01.1994)

Larévolutiondanslatechnologiedechauffage

Imaginez:ilestcapabledechaufferunepiècede73m3enquelquesminutesmêmesilatempératureestinférieureà0°Caumomentdesamiseenfonction.

Incroyable:Cetappareilchauffevotremaisonà21°Cenmoinsde5minutesEtleplusincroyable:c’estqueplusvouschauffezetplusvousfaitesdeséconomiesd’énergieSystèmeexceptionnelavecpuissancedechauffeefficaceetdiminutionsimultanéedesfraisdechauffageUnthermostat100%contrôléparordinateurrègleenpermanencelatempératureambiante

Lemicrocubed’énergiebasésurunetechnologiedéveloppéeparlaNASA,àsavoirlacéramiquehauteperformancepourlesvoyagesspatiaux.PetitraisonnementQuelleestl’énergienécessaireàchaufferunvolumede73m3d’airde0à21degrésetquellepuissancefaut-ilpourréalisercechauffageen5minutes?Hypothèselaplusoptimiste:Onadmetquel’onnechauffequel’air,sanschaufferlesparoisdulocaletsansqu’ilyaitéchanged’air(pasd’airfroidquientredanslapièceetpasd’airchaudquiensort).Donnéespourl’airàlapressionatmosphériqueetavecuntauxd’humiditémoyenChaleurmassiquedel’airestde1,0kJ/kg-1Massevolumiqueestde1,3kg/m3Calcul:Massedes73m3d’air:73•1.3=94.9kgÉnergiepourchaufferl’airde1degré:94.9kJÉnergiepourchaufferl’airde21degré:1993kJ,soit553kWhPuissancerequisepour5mindechauffage:553kWh/(1/12h)=6643Wsoitplusde6kW!

Cettepublicitéaétécritiquéedansl’émissiondelaRTSÀBonEntendeurdu25.01.1994


Variantedepublicitépourlemêmeproduit:

Unerévolutiondanslechauffagedelamaison!ConçugrâceàlatechnologiedescéramiqueshauteperformancedéveloppéesparlaNASApourlanavettespatiale,cemicrocubed’énergiede16cmdecôtésestleseulsystèmedechauffagequivouschauffeefficacementetquidiminuevotrefactured’électricitéCetappareilchauffeunepièceavecl’énergied’uneampoulede60WLescorpsdechauffenoyésdanslamassedecéramiquealvéoléediffusentuniformémentlachaleur.Lacéramiqueemmagasinecettechaleuretlalibèredansl’airàtraverslesalvéolesCHAUFFAGECÉRAMIQUEÀDISQUESDECÉRAMIQUEHAUTETECHNOLOGIE

CaractéristiquesPuissancede500à1000WapprouvénormesUSA,CanadaetTUV

PROMOTIONUneperformancejamaisatteinteCepetitcubeestcapabledechaufferunepiècede60m3enquelquesminutes,mêmesilatempératureestinférieureà0°C

Inspirédessystèmesthermiquesdesindustriesdepointe,cechauffageutilisedesélémentsencéramiquepuresemi-conducteur,produisantunechaleurintensepourunetrèsfaibleconsommationd’énergie.

UnepublicitétrouvéesurInterneten2015http://annonces-gratuites.index-net.org/petites-annonces-chauffage-et-climatisation-443/radiateur-electrique-economique-eure-vers-evreux-annonce-37070.html

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Réchauffons-nousavecunpeudethéorie:

Lorsdetoutetransformationdel’énergie,unepartdecelle-cisedégradeenchaleurquiestleniveauleplusbasdela«qualité»del’énergierésultantd’uneagitationdésordonnéedesmoléculesetatomes.Lorsquedelachaleurestproduiteàpartird’uneautreformed’énergie(électrique,mécanique,chimique,rayonnement),c’estle100%del’énergiequisedégradeenchaleur(e=100%)dansl’illustrationci-contre.Laconceptionduradiateurélectriquen’ychangeabsolumentrien!Cequidistinguelesdiversessortesderadiateursélectriques,c’estleurmodedediffusiondelachaleur.Ilpeutêtreimmédiatouretardé(accumulateur),parrayonnementouconvection,aveccirculationd’airforcée(ventilateur)ouunmixdecesmodes.Cesmodesdediffusioninfluentsurlasensationdeconfort,maislerendementduradiateuresttoujourslemême(100%).

Note:lerendementde40%estcelui,approximativement,detoutecentralethermique,ycomprisunecentralenucléaire

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