Produire du froid

Produire du froid, c’est pomper de la chaleur ─localement.

D'un point de vue thermodynamique, la chaleur a tendance à se répartir uniformément, on constate toujours, si on ne fait rien de spécial, que le chaud va aller vers le froid pour que l'ensemble atteigne une température uniforme.

Pour faire disparaitre de la chaleur, il faut la transformer en une autre forme d'énergie = utilisation d'un mécanisme endothermique. Par exemple, lorsque l'eau liquide se transforme en vapeur comme la sueur sur le corps, de l'énergie (dite de vaporisation) est requise, qui est pompée à la surface du corps : il se refroidit.

Mais on peut aussi déplacer la chaleur avec une pompe à chaleur : de la chaleur est pompée d'une source (dite froide, qui deviendra encore plus froide, notre objectif) et déplacée vers une autre source (dite chaude, qui deviendra encore plus chaude), ce qui n'est pas naturel car la chaleur se déplace toujours du chaud vers le froid, et pour contrer cela, il faut fournir de l'énergie (souvent de l'électricité), énergie qui sera dissipée sous forme dégradée de chaleur utile pour chauffer une maison.

Nous allons voir quels sont les phénomènes physiques technologiquement mis en œuvre pour produire du froid.

On dit "en circuit ouvert" car la source de froid sera perdue, il ne s'agira pas d'une machine cyclique.

Un fluide frigorigène ─qui va absorber de la chaleur lorsqu'il va se transformer d'une manière naturelle (transformation endothermique)─ est mis en contact direct (ou indirect, peu importe) avec le produit à refroidir :

• de l'azote liquide qui va pomper de la chaleur en se réchauffant et en se vaporisant
• un gaz qui se détend, par exemple une bombe de crème chantilly sous pression
• de la glace qui, pour fondre, requiert une énergie de fusion assez importante ce qui est très commode pour nos apéros.

C'est une méthode simple et efficace, mais peu pratique pour faire un réfrigérateur à la maison.

Cette fois, on mettra le fluide frigorigène dans un circuit fermé ce qui permettra d'effectuer des cycles de refroidissement. A un moment ou à un autre, ce fluide sera mis en contact avec le produit à refroidir, éventuellement par l'intermédiaire d'un autre fluide (dit frigoporteur ou frigorifère) pour transporter le froid ─nous sommes très inventifs pour ça.

Les avantages et inconvénients sont assez évidents :

• Pas de perte de fluide
• Cycle répétitif, on produit du froid en permanence (mais il faudra injecter de l'énergie, ce n'est pas magique)
• Machines relativement compliquées

On appelle ce genre de machine "pompe à chaleur" vous l'aviez deviné.

La dissolution de certains sels requiert parfois une énergie importante, on parle de réaction chimique fortement endothermique, ce qui pompe de la chaleur. Par exemple :

• le chlorure de calcium (2.5 en masse de chlorure pour 1 d'eau) provoque une réduction de 34°C
• le nitrate d’ammonium (1 Nitrate pour 1 d'eau) : 25°C
• sulfate de soude dans l’acide chlorhydrique (1 Sulfate pour 1 HCl) : 28°C

Les variations de température concernent un système adiabatique, sans échange de chaleur.

Ce principe est peu commode car irréversible, mais peu servir dans des cas particuliers.

On peut aussi mélanger le sel directement avec de la glace : ces deux phases solides ne sont pas en équilibre, alors de la glace fond en produisant du froid, pour former une solution saline. Tout le sel disparait et un équilibre est atteint en fonction de la température atteinte (point eutectique à -21°C). Cette méthode est loin d'être la plus efficace, mais elle est facile à réaliser.

L'abaissement de la température de fusion de l'eau salée est fort commode l'hiver sur nos routes. Et pour l'apéro.

Lorsqu'un gaz (comprimé) se détend, sa température décroit, c'est la loi de Gay-Lussac.

On distingue divers types de détente :

• détente avec production de travail extérieur, utilisée dans les machines frigorifiques à compression de gaz, par exemple la liquéfaction de l’air
• détente par laminage (réalisée dans un robinet détendeur ou un orifice ou un capillaire, dite détente Joule-Thomson). C’est une transformation à enthalpie constante : pas d’échange de travail ni de chaleur avec le milieu extérieur.
• détente dans un champ centrifuge : tube de Ranque.

L'usage de la détente de gaz est limité à des applications très spécifiques car le coefficient de performance est très médiocre.

Le changement d’état d’un corps est généralement fortement endothermique :

• évaporation : liquide vers vapeur
• fusion : solide vers liquide
• sublimation : solide vers vapeur

Autrement dit, il faut fournir de l'énergie pour ce sens de changement d'état, énergie qui est pompée sous forme de chaleur :

• évaporation de l’azote liquide : chaleur de vaporisation à la pression atmosphérique = 200 kJ/kg à la température de -196°C
• sublimation de la glace carbonique : chaleur de sublimation = 500 kJ/kg à la pression atmosphérique et à la température de -78,6°C
• fusion de la glace : chaleur de fusion = 340 kJ/kg à la pression atmosphérique et à la température de 0°C
• évaporation de l’eau sous vide : chaleur de vaporisation = 2000 kJ/kg à 0°C

Ce principe est largement utilisé que ce soit en circuit ouvert ou fermé, car les rendements sont plutôt bons, même si on aimerait qu'ils soient encore meilleurs.

Les inventeurs ont été très productifs pour produire d'étonnantes solutions techniques, parfois avec des fluides intermédiaires pour transporter le froid, et des idées surprenantes pour effectuer les échanges de chaleur. C'est un sujet complexe et varié.

Un gaz placé dans une onde acoustique stationnaire présente des compressions et des détentes locales que l'on peut exploiter. Il s'agit de l'effet thermoacoustique, réversible.

Il s'agit de l'effet thermoélectrique. Quand un courant parcoure deux conducteurs reliés par une jonction, des phénomènes thermiques se produisent. L'effet Peltier est le transport de chaleur qui se produit sous l'action d'un courant, l'effet inverse étant la production d'un courant lorsque l'on chauffe une jonction (dite chaude) et que l'autre reste froide.

Pour certains matériaux, par exemple des semi-conducteurs, l'effet est suffisamment important pour produire une différence de température exploitable.

Le paramètre ZT est la figure de mérite caractérisant le matériau. Il est de l'ordre de 0.5 à 1. Pour atteindre les performances des techniques usuelles à compression de gaz, il faudrait un ZT de 3 à 4. Il reste encore une grosse marge de progression...

Il existe cependant pas mal d'applications concernant la production de froid avec des modules Peltier.

Les corps pyroélectriques, qui produisent de l'électricité lorsque leur température change, présente l'effet inverse dit effet électrocalorique.

Il s'agit pour l'essentiel d'un changement d'organisation des molécules, souvent leur orientation, qui provoque une modification de son entropie, et donc un changement de température.

On peut utiliser cet effet pour produire du froid avec un cycle :

Dans l'effet électrocalorique, c'est un champ électrique qui provoque un changement de température. Certaines substances présentent le même effet sous l'action d'un champ magnétique. Il s'agit de l'effet magnétocalorique réversible, plus important au voisinage du point de Curie.

Le même cycle que l'effet électrocalorique est utilisé.

Cet effet est plutôt utilisé en complément d'un procédé de refroidissement classique pour abaisser encore la température, afin d'approcher le zéro absolu par exemple.

L'organisation des molécules peut aussi être modifiée sous une action mécanique, à la place d'un champ électrique ou magnétique. On parle alors de mechanocalorics, qu'on subdivise en :

• elastocalorics : si l'action mécanique est uniaxial
• barocalorics : s'il s'agit de l'action d'une pression

Nous connaissons tous la gelée blanche, ou plus simplement le froid du matin lorsque le ciel est dégagé, sans nuages. L'énergie s'échappe directement dans l'espace par rayonnement.

Tout corps considéré comme un corps noir rayonne de l'énergie proportionnelle à la puissance quatrième de sa température absolue. Ce rayonnement va provoquer une perte d'énergie et donc une chute de la température du corps.

Pour que la chute de température soit notable, il faut que tous les apports thermiques externes soient minimisés. Felix Trombe a proposé un réfrigérateur gigogne au fonctionnement totalement gratuit, dans les années 1960, resté dans les cartons. (Science et vie n°548 de mai 1963)

Voici une réalisation expérimentale, avec photo et résultats :

• Un abaissement de température significatif grâce au froid radiatif passif

14 degrés d'écart !