La refrigeration Comment ça Marche


Comment ça Marche La réfrigérateur
Disposer de la chaleur quand il fait froid a été possible dès la préhistoire avec la maîtrise du feu. Mais disposer du froid quand il fait chaud est un acquis très récent puisqu'il a à peine plus de cinquante ans aujourd'hui. Il est vrai que transformer l'eau en glace est autrement plus difficile que de la faire bouillir.

Fruits, légumes et gibier, qui font depuis des siècles l'ordinaire du déjeuner ou du dîner, se gardent bien l'hiver et se gâtent vite l'été : le froid conserve, on le sait depuis la nuit des temps. D'où l'idée d'enterrer l'hiver des stocks de neige et de glace pour s'en servir l'été suivant. Formule peu commode, on s'en doute, et de surcroît assez aléatoire pour peu que l'hiver ait été doux et l'été torride.

A moins de se limiter à la chasse et à la cueillette, la tribu humaine s'est donc toujours heurtée à de difficiles problèmes de conservation que ne connaissent pas les animaux qui broutent la verdure au sol ou croquent l'animal voisin tout vivant. Ces problèmes, il faut le dire, n'ont été résolus que grâce aux découvertes de la thermodynamique, laquelle est née des recherches menées sur les premières machines thermiques, en l'occurence les moteurs à vapeur.

La majorité des réfrigérateurs actuels, dans lesquels on conserve salades et tranches de jambon pendant les plus chaudes journées orageuses, ne sont d'ailleurs que des machines thermiques relevant des mêmes processus que les moteurs à vapeur. De plus, si les lois de la thermodynamique sont peu simples à suivre, les processus auxquels elles s'appliquent sont très faciles à mettre en évidence. A la base de toute machine thermique, il y a en effet quelques phénomènes que l'expérience quotidienne suffit à vérifier.

Le premier est l'échauffement d'un gaz que l'on comprime : il suffit d'avoir gonflé un vélo un peu énergiquement avec une pompe en aluminium pour avoir senti le métal chauffer nettement ; on peut même le rendre brûlant en donnant des coups de pompe puissants et rapides.

Ce phénomène est absolument général : tout gaz que l'on comprime s'échauffe. Et il a, si l'on peut dire, une réciproque : un gaz qui se détend se refroidit. On le vérifie sans peine avec une bombe aérosol destinée à pulvériser un produit quelconque : quand on appuie sur la buse, le gaz propulseur se détend en projetant l'aérosol et cette buse devient glacée. Inversement, si on chauffe un gaz maintenu dans une enceinte fermée, sa pression monte; et si on refroidit ce gaz, sa pression baisse.

Aspirer le chaud, souffler le froid
Dans un réfrigérateur habituel, un gaz est tout d'abord comprimé pour être échauffé 1. Puis il est envoyé dans le condenseur 2, refroidi par l'air ambiant, et liquéfié. La température du mélange gaz/liquide chute en passant dans le détendeur 3 Et ce mélange s'évapore ensuite dans l'évaporateur 4 en abaissant la température interne du réfrigérateur, ce qui était l'effet recherché ! Et le cycle recommence...

Comme l'ont établi quantité d'expériences de ce type, pour un gaz quelconque, pression, température et volume sont liés : toute variation de l'un des paramètres entraîne une variation, soit des deux autres, soit de l'un d'eux seulement.

Reste un second ensemble de processus où l'apport d'énergie thermique s'accompagne aussi de phénomènes immédiatement visibles : les changements d'état, ou changements de phase, entre gaz, liquide et solide. Tout changement d'état consomme ou libère de l'énergie, mais sans que la température ne baisse ou ne s'élève. Ainsi la casserole d'eau que l'on met sur le feu commence par chauffer ; arrivée à 100 °C, l'eau se met à bouillir et passe à l'état gazeux (vapeur), mais sa température ne bouge plus et reste à 100 °C.

De même, si on chauffe un bloc de glace ou un morceau de plomb, leurs températures ne s'élèveront plus tout le temps que dure la liquéfaction ; idem lors du passage inverse à l'état solide. Il n'y a plus élévation ou baisse de la température car un changement d'état absorbe ou rayonne toute l'énergie thermique mise en jeu.

Cette énergie thermique, nécessaire par exemple pour passer du liquide au gaz, peut d'ailleurs être prise sur la chaleur du liquide lui-même, lequel se trouve alors refroidi. Il suffit de sortir d'une baignade alors que souffle une brise pour sentir le froid s'installer sur la peau : les calories nécessaires pour volatiliser les gouttelettes d'eau qui parsèment le corps sont prises sur la chaleur des gouttes elles-mêmes qui, de ce fait, se refroidissent en s'évaporant.

Mais, nous l'avons noté, les changements d'état ne sont pas fatalement dus à des écarts de température ; des variations de pression - en modifiant le volume, ou en changeant la masse de matière dans un même volume - peuvent aussi les provoquer : si on comprime un gaz qui est à une température inférieure à une valeur particulière qui est sa température critique, il finit par passer à l'état liquide. Inversement, si on baisse la pression qui règne au-dessus d'un liquide, celui-ci finit par bouillir et passer à l'état gazeux.

C'est en utilisant ces transitions liquide/gaz et gaz/liquide que l'on peut réaliser une machine frigorifique. On commence par choisir un gaz dont la température critique est supérieure à la température ambiante qui règne dans le local où doit fonctionner la machine. Si celle-ci est par exemple de 25 °C (ou même 35 °C), on va choisir un gaz dont la température critique est au moins le double, soit de 50 °C à 80 °C - la température critique d'un gaz, rappelons-le, est la température au-dessus de laquelle ce gaz ne peut plus être liquéfié par compression.

Pour la réfrigération domestique, les gaz qui conviennent le mieux sont des mélanges de chloro-fluoro-méthane, dont le plus simple a pour formule CF2Cl2. On commence donc par comprimer ce gaz à 8 ou 10 bars. Mais, comme nous l'avons vu avec le cas de la pompe à vélo, cette compression entraîne une élévation de température, cette dernière se situant ici autour de 65 °C.

On envoie alors le gaz comprimé et chaud dans un condenseur, en fait une sorte de grand radiateur plat qu'on peut voir derrière tous les réfrigérateurs ménagers. Comme la température ambiante est de 20 à 25 °C, le gaz qui arrive à 65 °C se trouve refroidi par l'air qui circule autour de ce radiateur - mais, du même coup, cet air ambiant est réchauffé. En traversant le condenseur, le gaz comprimé descend de 65 °C à 30 ou 35 °C et il passe à l'état liquide.

Ce liquide quitte le condenseur par un tube assez gros qui est, sans transition, raccordé à un tube fin. Ce brusque écart de la section de passage entraîne une accélération de la vitesse d'écoulement et, par voie de conséquence, une chute de pression - c'est là un phénomène classique qui relève de la mécanique des fluides. La pression tombe de 8 ou 10 bars à 2,1 / 2,5 bars, et cette baisse de pression amène une ébullition partielle, laquelle consomme de l'énergie et entraîne à son tour une baisse de la température qui passe de 30 ou 35 °C à -10 °C.

Le fluide qui sort de ce détendeur dynamique comporte alors 3/4 de liquide pour 1/4 de gaz. C'est ce fluide qui est envoyé dans un évaporateur à l'intérieur de l'enceinte à refroidir. En pratique, cet évaporateur n'est qu'une section de tube de gros diamètre où le fluide peut se détendre un peu, en moyenne de un à deux dixièmes de bar. Toutefois, cette mince chute de pression est suffisante pour qu'il puisse se vaporiser totalement.

Sa température change peu pendant cette détente suivie d'une évaporation, car l'énergie thermique nécessaire à ce changement d'état est justement prise sur la chaleur qui règne dans l'enceinte. C'est donc à l'intérieur de celle-ci que la température baisse, ce qui était le but recherché. Le gaz retourne ensuite au compresseur et le cycle se poursuit de manière continue jusqu'à ce que la température dans l'enceinte soit tombée à la valeur voulue, de l'ordre de 1 à 5 °C, mais l'évaporateur lui-même est proche de - 10 °C, ce qui permet d'y avoir des glaçons.

Un thermomètre lié à un interrupteur coupe alors le courant envoyé au moteur du compresseur. L'isolation thermique n'étant jamais parfaite, la température à l'intérieur du réfrigérateur remonte lentement : le thermomètre remet le contact, et le cycle de refroidissement reprend. Tel est le principe du réfrigérateur à compresseur, de loin le plus répandu dans les habitations.

Il existe une autre variété du même schéma où l'on se passe du moteur électrique qui fait tourner le compresseur en utilisant l'absorption d'un gaz par un liquide à basse température. Le cycle classique est celui de l'ammoniac dissous dans l'eau. La solution concentrée passe ensuite dans un générateur où elle est chauffée : la pression monte et le gaz ammoniac se dégage de la solution, puis passe dans un liquéfacteur et continue le cycle décrit précédemment.

Ce type de réfrigérateur, dit à absorption, est devenu rare dans les pays industrialisés, mais il est encore en usage là où il n'y a pas de distribution électrique. En revanche, il faut un brûleur, à gaz ou à pétrole, pour chauffer le générateur, et l'on a donc ce paradoxe d'un appareil qui brûle un combustible pour faire du froid.

Reste un troisième type de réfrigérateur qu'on commence à rencontrer dans les voitures et les caravanes, et qui ne comporte plus ni fluide, ni compresseur, ni détendeur : le réfrigérateur à effet Peltier. Celui-ci met en oeuvre l'un des quatre effets thermiques du courant électrique. Le premier de ceux-ci, et le plus connu, c'est l'effet Joule qui correspond au dégagement de chaleur engendré par le passage du courant dans tout conducteur.

L'effet Seebeck est plus curieux : deux conducteurs de cuivre sont reliés entre eux par par un fil de fer ; il y a donc deux jonctions fer-cuivre situées à une certaine distance l'une de l'autre. Si ces deux jonctions sont à des températures différentes, il y a production d'un courant dans le circuit. L'effet Thomson concerne, lui, un conducteur homogène le long duquel la température n'est pas uniforme : au passage du courant, il y a plus de chaleur dégagée là où la température va croissant dans le sens du courant.

Le quatrième phénomène a été découvert par Jean Peltier en 1834, et il est à la base des réfrigérateurs purement électriques : lorsqu'on fait passer un courant à travers la jonction de deux métaux différents, il apparaît une différence de température de part et d'autre de la surface de contact. Si on reprend le circuit précédent fer-cuivre et qu'on y fait passer le courant, on constate qu'au dégagement de chaleur par effet Joule s'ajoute un dégagement supplémentaire autour de la première jonction et une absorption autour de la seconde.

Cet effet se manifeste dès qu'il y a contact entre deux conducteurs différents, mais il reste en général très faible et masqué par l'effet Joule car la conduction thermique a tendance à égaliser les températures, même au niveau de la jonction. Toutefois, en choisissant bien les deux matériaux en contact, on peut arriver à des différences de températures réellement importantes. On utilise pour cela, non plus des métaux purs, mais des semi-conducteurs analogues à ceux des transistors et des circuits intégrés.

En montant en série des barreaux de semi-conducteurs alternativement de type n et p, on réalise des modules thermo-électriques qui permettent d'obtenir des différences de température de l'ordre de 60 °C entre les deux faces. Donc, si l'une de celles-ci est maintenue par un radiateur au voisinage de la température ambiante, soit par exemple à 45 °C, l'autre sera à - 15 °C. L'interprétation du phénomène fait intervenir la théorie des potentiels de contact : à la surface de séparation de deux conducteurs en contact existe une couche double formée par des densités électriques superficielles maintenues en regard par les forces électrostatiques.

La discontinuité de potentiel entraîne, lorsqu'un courant circule, des différences d'agitation des molécules, et donc des écarts thermiques. Nous n'irons pas plus loin dans l'exposé des processus mis en jeu, car les faits expérimentaux qui s'y rattachent sont loin d'être aussi simples à mettre en évidence que l'échauffement d'une pompe à vélo ou le refroidissement apporté par l'évaporation d'un liquide sur la main.

Et encore, nous ne sommes pas arrivés au plus subtil : pour atteindre les très grands froids proches du zéro absolu, on désaimante un corps paramagnétique. En effet, l'aimantation ordonne les molécules ; quand elle cesse, l'ordre associé à l'aimantation décroît et, comme l'entropie demeure constante, le désordre lié à l'agitation thermique doit décroître aussi, donc la température diminue. Est-il besoin d'ajouter que ce n'est pas le moyen le plus économique pour avoir des glaçons ?

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