Réactions exothermiques et endothermiques Application technique :
les machines frigorifiques et la pompe à chaleur
Une machine frigorifique se compose :
• D'un évaporateur: un serpentin de tuyau situé à l'intérieur du frigo dans lequel circule le fluide à l'état gazeux ( l'état de vapeur )
• D'un compresseur: qui, par compression, transforme le fluide à l'état gazeux détendu en un état gazeux comprimé ou à l'état liquide.
• D'un condenseur: un serpentin de tuyau situé généralement à l'arrière du frigo (sorte de radiateur comme dans les voitures) dans lequel circule le fluide sous sa forme condensée.
• D'un détendeur: qui permet la décompression, la détente, du fluide pour revenir à l'état de gaz détendu.
Les changements de phase
La détente - la dépressurisation
Evaporation ( réaction endothermique )
Liquide
Gaz ou vapeur
Condensation ( réaction exothermique ) La compression - la pressurisation
Schéma de principe d'une machine frigorifique
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Le fonctionnement
(exemple : le frigo ou réfrigérateur)Dans un frigo, pour absorber la chaleur des aliments, on fait circuler dans un circuit de tuyauterie, un fluide qui a la propriété de se transformer facilement de l'état liquide à l'état gazeux et inversement.
Au niveau du compresseur:
Le gaz sortant du frigo est, au maximum, à la température de réglage du frigo, soit généralement 4°C. Grâce à un compresseur électrique, le gaz est pressurisé,
comprimé, jusqu'à l'état liquide. Cette action (la pompe à vélo bouchée), est une réaction exothermique; c'est à dire qu'elle dégage de la chaleur. Le liquide sortant du compresseur est donc chaud.
A l'extérieur du frigo, le condenseur:
A l'arrière du réfrigérateur, il y a une sorte de radiateur toujours chaud. C'est là que passe ce liquide chaud. En circulant dans ce radiateur, il va se refroidir. Sa chaleur est communiquée à l'air de la pièce. C'est de cette manière que la chaleur intérieure au frigo est évacuée.
Au niveau du détendeur:
Le fluide comprimé va se détendre, se dépressuriser, s'évaporer. Il va repasser de l'état liquide à l'état gazeux. C'est la situation inverse de la compression, et comme dans le cas d'une bombe aérosol, la dépressurisation du liquide fabrique un gaz très froid. Cette action de décompression a besoin d'énergie: c'est une réaction
endothermique. L'énergie nécessaire est prise au gaz lui même, voilà pourquoi le gaz qui sort du détendeur est très froid.
Dans le frigo, l'évaporateur:
Ce gaz très froid est envoyé à l'intérieur du frigo. Là, il va se réchauffer au contact des aliments. Il va progressivement absorber leur chaleur (les calories). Les aliments vont ainsi se refroidir en perdant leurs calories.
Les unités
La calorie:
1 calorie est l’énergie nécessaire pour augmenter de 1°C la température de 1 gramme d'eau prise à 15°C et sous pression atmosphérique normale.
La frigorie:
1 frigorie est l’énergie nécessaire pour refroidir de 1°C la température de 1 gramme d'eau prise à 15°C et sous pression atmosphérique normale.
Autres données énergétiques sur l’eau :
L’énergie pour transformer en vapeur à 100 °C de l’eau liquide à 100 °C est de 537 calories par gramme d’eau.
A l’inverse, cette même quantité d’énergie est libérée lors de la condensation de la vapeur d’eau en eau liquide.
La fusion d'un gramme de glace à 0 °C en eau liquide à 0 °C et inversement sa congélation demande 80 calories.
Exercices – Différentes applications techniques
Exercice 1: Le réfrigérateur (
situation 1)
Température du frigo : 4 °C ; Température du local : 18 °C ; Compresseur : ∆ 40 °C
Exercice 2: Le réfrigérateur (
situation 2)
Température du frigo : 4 °C ; température du local : 28 °C ; Compresseur : ∆ 40 °C
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Exercice 3: Le freezer
Température du freezer : - 5 °C ; T ° du local : 20 °C ; Compresseur : ∆ 40 °C
Exercice 4: Le congélateur
Température congélation : - 18 °C ; T ° du local : 15 °C ; Compresseur : ∆ 60 °C
Exercice 5: La chambre froide
Température de la chambre : 7 °C ; T ° du local : 20 °C ; Compresseur : ∆ 35 °C
Exercice 6: La pompe à chaleur à partir d’un puits
Température radiateur : 60 °C ; T ° du local : 22 °C ; T ° de l’eau du puits : 10 °C
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Questionnaire:
Sur base des applications précédentes explique …
1)
Quelle est l'influence de la température de la pièce sur le fonctionnement du frigo ?
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2)
Pourquoi est-il important de laisser une aération, une ventilation, suffisante autour du condenseur d'un frigo (à l’arrière du frigo) ?
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3)
