Conversion énergie utile => énergie thermique (inutile) : quid de

[1h1ng01]

Bonjour,

N'ayant que des connaissances superficielles en thermodynamique, je me demandais si l'énergie correspondant à un rayonnement (infrarouge, ou une quelconque autre longueur d'onde de photons) était considérée du point de vue thermodynamique comme de l'énergie utile (de travail) qui peut être théoriquement convertie sans perte, autrement dit de manière réversible, en une autre énergie utile, ou bien s'il s'agit d'énergie thermique qui ne peut être convertie en énergie utile qu'avec une perte importante (seconde loi de la thermodynamique et loi de Carnot).

L'article de Wikipédia "énergie thermique" indique que

La dissipation d'énergie thermique par contact se produit de façon dissymétrique par rapport au temps, et se fait toujours du corps le plus chaud (celui dont la température est la plus élevée) vers le corps le plus froid. Ce phénomène est formalisé dans le second principe de la thermodynamique et limite les possibilités de transformer de l'énergie en travail. Il a été découvert lors de la réalisation des premiers moteurs.

Cela pourrait donc laisser penser a contrario que la dissipation thermique sans contact (rayonnement) ne suit pas ce principe d'irréversibilité et de perte et appartiendrait à la catégorie énergie utile.

Pourtant, la conversion d'énergie dans une cellule photovoltaïque se fait sauf erreur avec une perte importante.

Mais peut-être s'agit-il d'une simple limitation pratique (procédé peu efficace) et non théorique (type loi de Carnot) ? Qu'en est-il ?

Vous remerciant par avance pour votre éclairage.

ps: zut le titre a été tronqué, c'était "Conversion énergie utile => énergie thermique (inutile) : quid des photons/rayonnement ?"
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[Lansberg]

Bonjour,

le rayonnement est un des trois types de transfert thermique (chaleur). On ne peut pas convertir entièrement de la chaleur en travail donc par exemple du rayonnement en travail. On peut calculer le rendement de Carnot qui dépend de la température de la source chaude et de celle de la source froide.

Dans une cellule photovoltaïque, ce n'est pas l'effet thermique du rayonnement qui est utilisé mais l'effet photoélectrique (l'énergie des photons arrachent des électrons au silicium).

[gts2]

Limitation pratique : on n'utilise qu'une partie du flux incident : la "couleur" qui correspond au "gap" de la photodiode.
On peut améliorer les choses avec du multi couleur, cela existe au niveau laboratoire, je n'ai pas de connaissance de réalisation industrielle.

La lumière qui arrive est celle d'un corps noir à T=5700 K, et la cellule est a une température ambiante de disons 300 K.
La loi de Carnot donne 95%, mais à puissance nulle ; en optimisant la puissance on trouve un rendement max thermo l'ordre de 85%.

[albanxiii]

Bonjour,

(infrarouge, ou une quelconque autre longueur d'onde de photons)

Pour votre information, un photon a une énergie (qui correspond à l'opérateur hamiltonien), mais pas de longueur d'onde (il n'existe pas d'opérateur "longeur d'onde", ni "fréquence").
Et dans le cadre de la thermodynamique, on considère plutôt des grandes quantités de photons, donc la description ondulatoire est plus appropriée.

En ce qui concerne l'utilisation de l'énergie de rayonnement thermique, elle suit les mêmes lois générales que n'importe quelle autre source de chaleur. Ce sont les moyens d'échange qui sont de nature différente comme vous l'avez remarqué.

[A voir en vidéo sur Futura]

[1h1ng01]

Bonjour,

Merci pour ces réponses très pertinentes.

Et, s'agissant donc d'une forme d'énergie désordonnée, est-il possible de rendre compte de ce qui représente ce désordre. Je m'explique. Dans le cas de particules baryoniques, on va considérer que c'est l'agitation de ces particules qui présente un caractère désordonné.

Qu'en est-il pour le rayonnement ? Doit-on considérer qu'il s'agit d'une source d'énergie désordonnée parce que les photons ont des trajectoires différentes et/ou des énergies différentes ? Ou bien parce que d'un point de vue ondulatoire, il y a un déphasage ?

Dans ce cas, un rayonnement dans le cas particulier d'un laser fait-il figure d'exception et peut-il être considéré comme une forme d'énergie ordonnée et donc utile / de travail ?

[phys4]

Doit-on considérer qu'il s'agit d'une source d'énergie désordonnée parce que les photons ont des trajectoires différentes et/ou des énergies différentes ? Ou bien parce que d'un point de vue ondulatoire, il y a un déphasage ?

La dispersion entre les directions du rayonnement et la dispersion des longueurs d'onde correspond à une température limite.
Quelque soit le système optique utilisé, la focalisation du rayonnement fourni par une source à la température T ne peut jamais atteindre la valeur T.

Pour un laser, n'ayant aucune dispersion des directions en un point donné, la température équivalente est infinie, c'est donc de l'énergie non dégradée. La focalisation d'un tel faisceau peur donner des températures très élevées.

[1h1ng01]

On comprend pourquoi le laser peut être un bon vecteur d'énergie.

Merci à tous pour vos réponses.

[gts2]

On comprend pourquoi le laser peut être un bon vecteur d'énergie.

Mais un mauvais transformateur d'énergie : d'après optique-ingenieur.org
"Les lasers à CO2 sont les seuls à être vraiment efficaces (rendement de 15 % à 20 %). Ils sont utilisés dans l'industrie pour le traitement des matériaux. Quand aux autres, le rendement est largement inférieur à 1%."

[1h1ng01]

"Quand aux autres, le rendement est largement inférieur à 1%."
A quel niveau ? Source électrique => laser ?

[gts2]

Oui rendement Electrique -> Faisceau.
On fait un peu mieux avec les diodes Laser, mais je ne sais pas si on peut avoir beaucoup de puissance dans ce cas.

[1h1ng01]

On est mal barré pour les sabres laser !