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Thermodynamique inverse : pourquoi la chaleur ne peut-elle pas circuler automatiquement vers les zones à haute température
Dans les principes de base de la thermodynamique, nous mentionnons souvent un concept éternel : la chaleur ne peut pas automatiquement circuler d'une zone à basse température vers une zone à haute température. La raison fondamentale de ce phénomène vient de la deuxième loi de la thermodynamique, que l’on appelle souvent le processus irréversible de la thermodynamique. En termes simples, cette loi stipule que pour que la chaleur puisse atteindre une température plus élevée, une énergie ou un travail externe doit être fourni.
Le flux naturel de chaleur s'effectue des zones à haute température vers les zones à basse température, et ce phénomène est omniprésent dans la nature.
Dans notre vie quotidienne, tout, du fonctionnement des réfrigérateurs à l'utilisation des climatiseurs, repose sur le mouvement de la chaleur. Mais quand on imagine chauffer une chambre froide en hiver, comment ça marche ? Dans ces systèmes, nous devons compter sur un dispositif mécanique, tel qu’une pompe à chaleur ou un système de refroidissement, pour déplacer avec force la chaleur d’une zone à basse température vers une zone à haute température.
Concepts de base des cycles thermodynamiques
Les principes de fonctionnement des pompes à chaleur et des systèmes de refroidissement sont étroitement liés au cycle thermodynamique. Selon le modèle théorique de la thermodynamique, ces systèmes peuvent être décrits comme des cycles thermodynamiques, comprenant le cycle de compression de vapeur, le cycle d'absorption de vapeur et le cycle de gaz.
Cycle de compression de vapeur
Les cycles de compression de vapeur constituent aujourd'hui la forme la plus courante d'applications de refroidissement et de chauffage. Au cours de ce processus, le réfrigérant pénètre dans le compresseur sous forme de vapeur à basse pression et à basse température. Après avoir été comprimé, il devient un gaz à haute pression et haute température, puis entre dans le condenseur pour libérer de la chaleur et se transformer en état liquide. Ensuite, le liquide basse pression traverse le détendeur pour réduire sa pression, puis entre dans l'évaporateur pour absorber la chaleur, formant finalement un cycle de fonctionnement.
Dans un cycle de compression de vapeur idéal, le réfrigérant absorbe la chaleur de l'évaporateur et libère la chaleur du condenseur pour chauffer ou refroidir.
Cycle d'absorption des vapeurs
Une autre forme de cycle est le cycle à absorption de vapeur, même si ses performances sont généralement moins bonnes que le cycle à compression de vapeur, il peut néanmoins jouer un rôle dans certains besoins, notamment lorsque les sources de chaleur sont plus facilement disponibles que l'électricité, comme par exemple. chaleur résiduelle industrielle ou énergie solaire, etc. Ce cycle utilise l'énergie thermique pour vaporiser et libérer le réfrigérant en mélangeant le réfrigérant et l'absorbant.
Circulation des gaz
Par rapport à ces types de cycles, le cycle du gaz tourne autour du gaz sans changement de phase. Ce procédé est souvent utilisé dans certaines applications, comme les systèmes d'air comprimé que l'on trouve couramment sur les avions, car ces systèmes peuvent utiliser directement l'air comprimé généré par le moteur pour le refroidissement et la ventilation.
Le concept du cycle de Carnot inversé
Le cycle de Carnot inversé est un modèle théorique idéal qui peut être utilisé pour décrire un équipement fonctionnant comme un refroidisseur ou une pompe à chaleur. Ce cycle comprend quatre processus : le réfrigérant provenant d'une source à basse température absorbe la chaleur, est ensuite comprimé sans transférer de chaleur au monde extérieur, puis libère de la chaleur à haute température et enfin réduit la pression à son état d'origine pour démarrer le cycle. encore.
Le mouvement de la chaleur doit reposer sur un travail externe afin que la chaleur puisse circuler d'une zone à basse température vers une zone à haute température. Ce processus montre les caractéristiques et les limites de la thermodynamique.
Indicateurs de performance et conclusions
Plutôt que les seuls mécanismes de refroidissement ou de chauffage, l'efficacité des systèmes de refroidissement et de pompe à chaleur peut être référencée en termes d'indice de performance (COP), qui reflète l'efficacité énergétique du système. Dans de nombreux cas, ces systèmes peuvent fonctionner avec un rendement élevé, mais dans des conditions extrêmes, les performances peuvent être compromises.
Peut-être que lorsque nous comptons sur ces produits technologiques pour profiter d'une vie pratique et confortable, les gens ne peuvent s'empêcher de réfléchir : comment pouvons-nous utiliser ces principes thermodynamiques plus efficacement pour réduire le gaspillage d'énergie et promouvoir le développement durable ?
