La thermodynamique est une branche de la physique qui s’intéresse à l’étude des phénomènes thermiques, notamment la transformation de l’énergie thermique. Les principes de base sont appliqués dans de nombreux domaines, y compris celui des pompes à chaleur. En effet, ces dernières sont des machines thermodynamiques qui permettent de transférer de l’énergie thermique d’un milieu à un autre, en utilisant un fluide frigorigène.
Les lois de la thermodynamique
La thermodynamique appliquée aux pompes à chaleur se base sur trois lois fondamentales :
Première loi : le principe de conservation de l’énergie
Appelée le principe de conservation de l’énergie, cette loi stipule que l’énergie ne peut ni être créée ni détruite, mais seulement transformée d’une forme à une autre. En termes simples, l’énergie totale d’un système isolé reste constante. Cette loi est souvent exprimée sous la forme d’une équation : ΔU = Q – W, où ΔU est la variation de l’énergie interne du système, Q est la chaleur échangée avec le milieu extérieur et W est le travail effectué sur le système.
Deuxième loi : l’entropie
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l’entropie d’un système isolé ne peut jamais diminuer. L’entropie est une mesure du désordre ou de l’incertitude dans un système. Cette loi implique qu’il est impossible de transformer intégralement de la chaleur en travail, et que toute transformation thermodynamique entraîne une augmentation de l’entropie du système et de son environnement. De plus, elle peut également être exprimée sous différentes formes, telles que la formulation de Clausius : ΔS ≥ Q/T, où ΔS est la variation d’entropie, Q est la chaleur échangée et T est la température.
Troisième loi : le postulat de Nernst
La troisième loi de la thermodynamique, appelée le postulat de Nernst, stipule que l’entropie d’un système parfaitement ordonné à une température de 0 Kelvin (−273,15 °C) est nulle. Elle implique que la température absolue ne peut jamais être atteinte. Elle est souvent utilisée pour déterminer la valeur de l’entropie à une température donnée, en utilisant la relation de Gibbs : ΔS = ΔH/T, où ΔH est la variation d’enthalpie et T est la température.
Cycle thermodynamique des pompes à chaleur
Les pompes à chaleur sont des machines thermodynamiques qui se basent sur le cycle thermodynamique. Ce dernier se déroule en deux étapes qui sont :
Cycle de Carnot
Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique réversible qui permet de déterminer le rendement maximal qu’une machine thermodynamique peut atteindre. Il se compose de deux transformations isothermes et deux transformations adiabatiques. Le cycle de Carnot est un modèle théorique qui permet de comprendre le fonctionnement des machines thermodynamiques.
Cycle réel
Le cycle réel est un cycle thermodynamique irréversible qui se rapproche du cycle de Carnot, mais qui ne peut pas atteindre son rendement maximal. Il se compose des mêmes étapes que le cycle de Carnot : compression, condensation, détente et évaporation. Cependant, il est caractérisé par des pertes thermiques, des frottements et des irrégularités dans les échanges de chaleur.
Les pompes à chaleur utilisent le cycle thermodynamique pour transférer la chaleur d’un milieu à un autre à l’aide d’un fluide frigorigène. Celui-ci est comprimé pour augmenter sa température, puis il est condensé pour transférer la chaleur à un autre milieu. Ensuite, le fluide frigorigène est détendu pour abaisser sa température, ce qui lui permet d’absorber de la chaleur. Enfin, le fluide frigorigène est évaporé pour transférer la chaleur à un autre milieu.
La technologie continue d’évoluer et de s’améliorer, ce qui devrait rendre les pompes à chaleur encore plus efficaces et abordables à l’avenir. Pour d’autres informations sur le sujet, contactez Ernova.
