L'effet électrocalorique ECE

Si la pyroélectricité est l'apparition de charges électriques aux bornes d'une capacité pyroélectrique ─donc d'une tension─ lorsqu'elle est chauffée ou refroidie, l'effet électrocalorique est le phénomène inverse : en appliquant et retirant une tension aux bornes d'une capacité électrocalorique, on observe un réchauffement et un refroidissement.

En restant sur un modèle simpliste, l'effet électrocalorique est relatif à une histoire d'alignement de dipôles qui se produit lorsque l'on applique un champ électrique.

• Au repos, à l'équilibre thermique, les dipôles qui appartiennent à un réseau de nano-cristaux, sont orientés aléatoirement.
• En appliquant un champ électrique, les dipôles s'orientent, l'entropie concernant l'arrangement des dipôles diminue ─le désordre se réduit.
  En contrepartie, l'entropie dû à l'énergie thermique de vibration des cristaux augmente, donc on observe un échauffement du matériau, synonyme de désordre.
  Au total, l'entropie sera conservée, c'est juste un réarrangement global.
• Si on éteint le champ électrique, l'effet inverse se produit. L'orientation des dipôles redevient aléatoire, leur entropie augmente, en compensation l'entropie de vibration diminue, le matériau refroidit, et revient dans son état initial.

Entre le début et la fin, rien n'a changé, au premier ordre, on dirait un phénomène réversible.

Mais ce n'est évidemment pas le cas, car il a fallu appliquer une tension sur le matériau qui se comporte comme une capacité électrique et qui stocke une énergie égale à CV² (capacité * Tension au carré).

Ce sujet sera développé plus loin, quand on parlera d'énergie, de champ électrique, de charge et décharge de capacité.

Pour faire une machine thermique basée sur l'effet électrocalorique, on va suivre le cycle suivant :

1. Polarisation adiabatique : soumission à un champ électrique, sans échange de chaleur, le matériau augmente en température.
2. Transfert de chaleur avec un dissipateur de chaleur (la source chaude, qui va devenir encore plus chaude, mais pas plus chaude que le matériau, forcément), le matériau électrocalorique refroidit en cédant de la chaleur à la source chaude.
3. Dépolarisation adiabatique : le champ électrique est éteint, sans échange de chaleur, le matériau refroidit.
4. Transfert de chaleur : avec un dissipateur de chaleur (la source froide qui devient encore plus froide, mais pas plus froide que le matériau). Le matériau électrocalorique se réchauffe en prenant de la chaleur à la source froide.

Pour comparer avec un fluide réfrigérant classique :

• Lors de l'évaporation du fluide, de la chaleur dite latente est "emportée" par le fluide. C'est le cas de la sueur, qui refroidit la peau en s'évaporant. C'est ce qui se passe à l'intérieur du frigo.
• Dans le condenseur, le fluide sous forme vapeur se condense et revient à l'état liquide, et relâche alors de la chaleur. C'est le rôle de la grille noire et tiédasse qui se situe derrière le frigo.

Sauf que pour obtenir cet effet, il aura fallu compresser le fluide sous forme vapeur, ce qui consomme de l'énergie.

Et là, pour l'effet électrocalorique, pas besoin de compression.
C'est magique.
Enfin, au premier abord.

Le ΔT_EC (électrocalorique) ou ΔT_ad (adiabatique) est la variation de température obtenue lors de l'application du champ ou de sa disparition, sans échange de chaleur avec l'extérieur.