Pompes à chaleur

[sobriquet]

Bonjour,

J'ai hésité à poser cette question en Chimie ou en Physique. Comme il est question de thermodynamique, j'espère trouver davantage de réponses du côté des chimistes ! N'hésitez pas à déplacer cette question si j'ai fait le mauvais choix...

Je suis taraudé depuis quelques mois par les publicités que l'on trouve sur les systèmes de chauffage domestique air-air. Pour résumer, ces systèmes utilisent une pompe à chaleur qui capte l'énergie de l'air extérieur, pour la transmettre à l'air intérieur. En tant que système de chauffage, ces dispositifs sont surtout utiles quand il fait froid dehors et chaud à l'intérieur. Ça peut aussi servir dans le cas inverse (climatisation), mais c'est une autre affaire. Jusque là, pas de soucis.

Un certain nombre de vendeurs affirment que leurs systèmes atteignent un COP (coefficient de performance) de 3, voire 4. C'est à dire que pour une joule d'énergie électrique fournie à la pompe à chaleur, on arrive, dans des conditions optimales, à réchauffer l'air intérieur de 3 ou 4 joules. Et c'est là que je suis perdu, et que vous pourriez peut-être m'aider !

En pleine canicule, une telle performance m'apparaît tout à fait vraisemblable pour réchauffer une maison plus froide. C'est pas très utile, mais bon... En revanche, quand il fait plus froid dehors que dedans, on a le second principe de la thermodynamique qui dit, si je comprends bien son application au cas présent :

"Pour transférer la chaleur d'un système froid vers un système chaud, il faut utiliser au minimum une quantité d'énergie égale à la quantité d'énergie de la chaleur transférée".

En fait, ça ne dit pas exactement ça, puisque ça l'exprime en termes d'entropie, mais c'est comme ça que le comprends. (Et c'est peut-être là que je me trompe...)

Or, dans les pompes à chaleur que nous présentent les vendeurs, on utilise une joule d'électricité pour transférer 3 ou 4 joules de chaleur du système froid vers le système chaud. Ce qui viole (à mon sens) le second principe de la thermodynamique.

Donc soit les vendeurs disent des bêtises (c'est pas trop grave, j'ai l'habitude ), soit j'ai rien compris, et ça, ça m'embête davantage !

Sauriez-vous donc me libérer de ce doute affreux !? Merci !
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[FC05]

Ben pour tout dire, j'avais jamais vu le second principe énoncé comme ça.

Sinon, le COP est bien supérieur à 1 ... sinon, un chauffage électrique serait aussi bien et moins cher.

[invite2313209787891133]

Bonjour

Le principe de conservation de l'énergie n'est pas violé; l'énergie électrique ne sert qu'à véhiculer une énergie qui existe déjà, d'une source "tiède" vers une source froide, ou vers une source chaude.

Le but de l'électricité est simplement de faire fonctionner un système de compression/décompression; ainsi on peut obtenir un changement de phase à la température que l'on veux.

On comprimant le gaz on peut le liquéfier à haute température, et ainsi absorber de l'énergie.
En le décompressant on peut l'évaporer à basse température, et le faire restituer de l'énergie.

[sobriquet]

En effet, FC05, j'ai peut-être dit un peu vite que c'était l'énoncé du second principe...

Une pompe à chaleur avec un COP inférieur à 1 pourrait être intéressante si ce COP est plus élevé que le rendement du chauffage électrique.

Dudulle, il me semble que pour véhiculer une certaine quantité d'énergie, il faut utiliser au moins autant d'énergie que celle que l'on déplace, non ?

Mon tort est peut-être de raisonner par analogie : je me représente le corps froid (l'extérieur) comme un point d'altitude h1, et le corps chaud (l'intérieur), comme un point d'altitude h2, avec h2 > h1. Là, je considère qu'un objet de masse m en h1 ne monte pas spontanément en h2 (alors que l'inverse est possible), et que pour l'y élever (effectuer le transfert de chaleur), il faut fournir une quantité d'énergie E = m.g.h2 - m.g.h1.

Cette quantité E, dans cette analogie, correspond à la différence d'énergie entre les corps chauds et froids, soit la quantité de chaleur transférée. J'en conclus donc que pour effectuer un transfert de chaleur d'un corps froid vers un corps chaud, il faut fournir une quantité d'énergie égale à la quantité de chaleur transférée.

Mes notions de physique-chimie sont assez éloignées, donc d'exprime peut-être mal les choses, et surtout, j'ai pu faire un raisonnement boîteux dans mon analogie !


En tout cas, merci de participer à mes réflexions !

[A voir en vidéo sur Futura]

[Fanch5629]

Bonsoir.

Ton approche des machines thermiques est complètement erronée (désolé pour la rudesse du terme mais il est adapté). Dans une machine thermique ditherme, quelqu'elle soit, le travail mis en jeu n'est pas identique à la quantité de chaleur échangée entre les deux sources. Je te suggère, en toute courtoisie, de reprendre les bases du 2ème principe et du fonctionnement des machines thermiques.

Au revoir.

[invite2313209787891133]

Dudulle, il me semble que pour véhiculer une certaine quantité d'énergie, il faut utiliser au moins autant d'énergie que celle que l'on déplace, non ?

Mon tort est peut-être de raisonner par analogie : je me représente le corps froid (l'extérieur) comme un point d'altitude h1, et le corps chaud (l'intérieur), comme un point d'altitude h2, avec h2 > h1. Là, je considère qu'un objet de masse m en h1 ne monte pas spontanément en h2 (alors que l'inverse est possible), et que pour l'y élever (effectuer le transfert de chaleur), il faut fournir une quantité d'énergie E = m.g.h2 - m.g.h1.

Ce raisonnement semble logique, mais il ne s'applique pas ici; c'est d'ailleurs heureux, car si il fallait dépenser autant d'énergie pour le transport que ce que l'on transporte les voitures n'avanceraient pas

Le principe de la pompe à chaleur est en fait basée sur un cycle en 4 temps. Les 4 phases de ce cycle sont déterminées par un changement de température ou de pression.

Je ne vais pas m'amuser à l'expliquer ici, mais je vais te donner ce lien qui expose le principe des machines frigorifiques (c'est ce qu'est une pompe à chaleur). L'intérêt de cet article est qu'il est suffisament clair pour un non scientifique: http://www.cooling-masters.com/articles-4-0.html

[chatelot16]

si il fait exactement la meme temperature dehors et dedans une pompe a chaleur aura un cop maximum theorique infini : deplacer de la chaleurs entre 2 truc a temperature egale ne coute pas d'energie : bien sur en realité il y aura des perte et meme pour faire un truc aussi inutile il faudra un peu de puissance

le cop infini n'existe pas , mais peut etre tres grand quand l'ecart de temperature est faible :! un cop de 3 ou 4 n'est pas une prouesse , c'est un resultat courant : avec du super materiel il est possible de faire encore mieux

inversement quand de la chaleur passe d'une source chaude a un source froide elle peut passer naturellement par simple conduction , mais c'est un grossier gaspillage : si on fait passer cette chaleur par une machine thermique , moteur a vapeur par example , ca fait de l'energie mecanique

le cop de la pompe a chaleur parfaite est exactement l'inverse du rendement du moteur thermique parfait

[sobriquet]

Moui, à vous lire, je me rends bien compte que mon raisonnement est vraiment simpliste par rapport à ce qui se passe réellement. Je perds un peu espoir de comprendre correctement tout ça un jour (à moins de reprendre mes études...), mais au moins, j'aurais l'esprit plus tranquille quand je verrai des COP à 3 ou plus

Merci pour vos réponses !

[invite2313209787891133]

Ce n'est pas très compliqué à comprendre.

On peut par exemple imaginer un systeme en géothermie.

La température exterieure est de 0°C; celle du sol est à 15°C et on veut chauffer la maison à 20°C.

On prend par exemple du butane (ce n'est pas un gaz qui est utilisé, mais c'est pour l'exemple). Ce gaz a une température d'ébullition d'environ 0°C et à pression atmospherique et 20°C à 1 bar.

On a ce gaz sous forme liquide. On le passe à 1 bar dans une conduite qui serpente dans le sol (donc à 15°C); le gaz se vaporise et absorbe une partie de l'énergie du sol. L'énergie du sol est renouvelée en continu.

On a alors un gaz à 15°C, à 1b de pression.
On le recompresse à 2 bars de pression, ce qui va augmenter sa température vers 20°C. Le gaz ne va pas se liquefier, car pour le faire il doit céder de l'energie, et on s'arrange pour avoir une compression sans échange de chaleur vers l'exterieur.

On passe alors ce gaz surchauffé dans un radiateur.
Le gaz se liquéfie, et il cède son énergie dans la pièce où se trouve la radiateur. En sortie de radiateur on a du butane liquide à 20°C et 2bar de pression.
On passe ce fluide par une vanne de décompression; en sortie de cette vanne on se trouve à 1 bar et le butane reste liquide, car pour s'évaporer il doit absorber de l'énergie. un nouveau cycle peut recommencer.

Ces 4 changements de pression ou de température définissent, sur un diagramme approprié, une surface en forme de losange que l'on appelle le "cycle de Carnot". L'intégrale de cette surface permet de connaitre le travail de ce cycle.

[sobriquet]

Si je m'en tiens à ce niveau d'analyse, oui, je comprends !

Mais si on a une pompe à chaleur ayant un COP de n, on peut utiliser la chaleur récupérée pour produire de l'électricité. Il me semble qu'il n'y a pas trop de limites théoriques à ce que cette conversion ait un rendement supérieur ou égal à 1/n. Dans la pratique, c'est peut-être différent...

Donc si j'investis 1 joule d'électricité dans la pompe, pour obtenir n joules de chaleur, je peux ensuite en tirer 1 joule d'électricité que je pourrais réinvestir dans ma pompe à chaleur, et tant que la température de l'air extérieur (ou du sol) ne baisse pas, le système est entretenu.

Si le rendement est légèrement supérieur à 1/n, je peux récupérer l'énergie en rab pour d'autres usages. Ce n'est pas un mouvement perpétuel, mais ça me semble quand même un peu trop beau, non ?

[Fanch5629]

Mouvement perpétuel de deuxième espèce, tu es le premier ce mois-ci !

[FC05]

Mais si on a une pompe à chaleur ayant un COP de n, on peut utiliser la chaleur récupérée pour produire de l'électricité. Il me semble qu'il n'y a pas trop de limites théoriques à ce que cette conversion ait un rendement supérieur ou égal à 1/n. Dans la pratique, c'est peut-être différent...

Non ! En théorie, si le COP est de n, le rendement de la conversion en électricité est de 1/n ... au mieux.

Comme le COP réel est toujours inférieur à sa valeur théorique et idem pour la conversion en électricité, c'est encore pire.

[invite2313209787891133]

Si je m'en tiens à ce niveau d'analyse, oui, je comprends !

Mais si on a une pompe à chaleur ayant un COP de n, on peut utiliser la chaleur récupérée pour produire de l'électricité. Il me semble qu'il n'y a pas trop de limites théoriques à ce que cette conversion ait un rendement supérieur ou égal à 1/n. Dans la pratique, c'est peut-être différent...

Donc si j'investis 1 joule d'électricité dans la pompe, pour obtenir n joules de chaleur, je peux ensuite en tirer 1 joule d'électricité que je pourrais réinvestir dans ma pompe à chaleur, et tant que la température de l'air extérieur (ou du sol) ne baisse pas, le système est entretenu.

Si le rendement est légèrement supérieur à 1/n, je peux récupérer l'énergie en rab pour d'autres usages. Ce n'est pas un mouvement perpétuel, mais ça me semble quand même un peu trop beau, non ?

Non, ça ne marche pas pour une raison simple; chacune des 4 transformations du cycle est réversible, mais en pratique on perd chaque fois un peu d'énergie ce qui limite le COP pratique (aux environs de 3 à 5 d'après les vendeurs de PAC, mais on peut descendre bien plus bas en fonction des conditions climatiques...).

Maintenant ce qu'il faut comprendre c'est que pour produire de l'énergie on va devoir faire appel aux mêmes cycles; le bon sens permet de comprendre immédiatement qu'on ne peut pas récupérer plus d'énergie sous forme électrique que ce que l'on a introduit au départ car chaque transformation n'est pas parfaite, et cette fois nous allons en effectuer 8.

Concrètement il est très difficile de produire de l'électricité à partir de 2 sources aillant une faible différence de température. Dans un cas pratique comme celui exposé un peu plus haut (différence de 20°C) on attendrait des rendements très bas.

[sobriquet]

OK, je comprends un peu mieux maintenant, merci pour vos réponses !