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branche d’arbre gelée
Pour répondre à la question « comment produit-on du froid ? » il faut remonter à la définition de ce qu’on appelle le « froid » lui-même et donc aussi le « chaud ».

On dira que parmi deux corps, celui qui est le plus froid est celui dont la température est la plus basse[b].

Un objet est ressenti comme « froid » quand [b]la chaleur contenue dans votre main s’échappe vers cet objet : la main perd donc de la chaleur et refroidit. C’est cela qu’on ressent.
À l’inverse, un objet est ressenti comme « chaud » quand de la chaleur s’échappe de l’objet pour aller dans votre main : la main gagne de la chaleur et se réchauffe. La chaleur va toujours du corps le plus chaud au corps le plus froid.

Quand on parle de la production du froid, on parle d’un réfrigérateur ou d’un système cryogénique : ces systèmes produisent du froid, en abaissant la température dans un endroit confiné.

Pour refroidir un objet, il faut en extraire la chaleur ou cesser de le réchauffer. Il existe plusieurs méthodes pour extraire la chaleur d’un corps et c’est de ça que je vais parler.

La détente de gaz

Détendre un gaz a pour conséquence de le refroidir.

Quand un gaz est comprimé, les molécules sont très rapprochés : ils s’entrechoquent et se frottent violemment et rapidement. Si on refroidit un gaz comprimé, il se liquéfie. On dispose alors d’un liquide à température ambiante mais à haute pression. C’est ce qui se trouve dans une bombe de déodorant par exemple.
Quand on libère du gaz, c’est en fait le liquide qui bout et se vaporise. Cette réaction d’évaporation consomme de la chaleur : le liquide et la chaleur combinées se transforment en un gaz sans chaleur, donc froid. Très froid.

Vous pouvez essayer : placez un thermomètre à la sortie d’une bombe de déo : vous aurez facilement –50 °C, ce qui est la température ambiante au pôle nord.

Maintenant, en envoyant ce gaz froid sur une autre bonbonne de gaz liquéfié et qu’on abaisse la pression, le liquide de la seconde bonbonne va elle aussi se transformer en gaz et consommer de la chaleur. Or, vu qu’il est déjà refroidit, il va se refroidir encore plus. Cette méthode, appliquée plusieurs fois de suite, est utilisée pour obtenir des gaz extrêmement froids comme l’azote liquide, maintenu à –196 °C. L’hélium liquide, lui, est à –269 °C, soit seulement 4 degrés au dessus du zéro absolu.

La détente d’un gaz est à la base d’un grand nombre de générateurs de froid, y compris le réfrigérateur ou le moteur de Stirling inverse (voir plus bas).

La méthode du réfrigérateur

Ici, on utilise le changement d’état d’un fluide — évaporation et liquéfaction — pour piéger puis transporter la chaleur d’un endroit à refroidir à un endroit où évacuer cette chaleur.

Le principe est simple : au contact de l’intérieur du frigo, un liquide est soumis à une détente forcée qui a pour effet de le refroidir. À ce moment, le gaz est plus froid que l’intérieur du frigo : la chaleur va passer des aliments contenus dans le frigo vers le gaz. Le gaz se réchauffe, s’évapore. Les aliments, eux, refroidissent.

Le gaz ainsi formé est envoyé dans un radiateur (au dos du frigo) où il est à l’inverse liquéfié : cette liquéfaction libère toute la chaleur captée. Ici, c’est l’air environnant qui est réchauffé et c’est le liquide qui refroidit. Le radiateur au dos du frigo est donc chaud.

Le frigo sépare donc deux espaces : l’intérieur et l’extérieur. Il pompe la chaleur de l’intérieur pour l’évacuer à l’extérieur. Le but recherché est le refroidissement de l’intérieur. Le réchauffement de l’extérieur se fait aussi, mais ce n’est pas le but recherché.
Dans une pompe à chaleur, le fonctionnement est identique, sauf que le but recherché est le réchauffement de votre salon, pas le refroidissement du jardin.

Un frigo dont on laisserait la porte ouverte et où on confinerait la grille dans un espace hermétique serait exactement une pompe à chaleur.

La méthode du moteur de Stirling inversé

Un moteur produit du travail mécanique (mouvement) à partir d’une différence de température.
Ce moteur a la particularité de pouvoir fonctionner de façon inversée : si on l’entraîne par un apport de travail, il va produire une différence de température : une partie va se refroidir et l’autre se réchauffer. En évacuant correctement la chaleur produite du côté chaud, on va favoriser la production du froid de l’autre côté.

Il suffit alors de capter ce froid et de l’utiliser, par exemple en refroidissant un verre d’eau.

Le refroidissement dans le vide

La température, on l’a vu, c’est le degré d’agitation des molécules. À chaque fois qu’une molécule heurte votre peau, ça chauffe. S’il y a une grande quantité de molécules (forte pression) et que les molécules sont très vives (haute température), alors ça chauffe beaucoup.

Dans le vide, il n’y a pas de molécules (ou très peu). On ressent donc un froid intense car il n'y a pas de molécules pour nous réchauffer.
Si vous laissez un corps dans le vide sidéral, la chaleur va peu à peu partir sous forme de rayonnements et il ne restera plus de chaleur du tout : le corps sera refroidi.

Notez quand même que les quelques molécules présentes dans le quasi-vide en haute altitude sont extrêmement chaudes : individuellement, elle sont très rapides et énergétiques, mais comme il n’y en a très très peu, on ressentirait le froid quand-même

La méthode du module à effet Peltier

La sonde à effet Peltier est à la thermoélectricité ce que le moteur de Stirling est à la thermodynamique. La sonde à effet Peltier est un composant électrique plat à deux faces, qui, quand on le met sous tension, va avoir un côté chaud et un côté froid. À l’inverse, si on chauffe un côté et refroidit l’autre, il va développer une tension électrique et générer du courant.

Ces sondes sont utilisées dans les petits réfrigérateurs USB ou de camping, là où un circuit complet de gaz et de compresseurs des réfrigérateurs de cuisine est trop gros ou trop fragile.

Le fonctionnement se fait sur le principe combiné des effets Thomson et Seebeck : si on soude trois fils de deux métaux différents (métal A - métal B - métal A) et qu’on met ça sous tension, une des jonctions va se refroidir et l’autre va se chauffer (et inversement : chauffer une jonction et refroidir l’autre va créer une tension).
Ceci est dû à un déplacement uniforme, sous l’effet de la tension, des électrons chauds vers la même face. Si ces électrons transportent plus de chaleur que ne le fait la conduction thermique du matériau dans l’autre sens, alors il apparaît une différence de température entre les deux faces du module Peltier.

La sonde de Peltier consiste simplement en une grande succession de soudures disposées de telle sorte que les soudures froides soient toutes d’un côté et les soudures chaudes soient toutes de l’autre.

En pratique, quand on impose un courant à un de ces modules, il apparaît très rapidement une importante différence de température. Si on ventile suffisamment le côté chaud, alors l’autre côté restera froid. On peut facilement atteindre des températures de –20°C avec un petit module Peltier et une batterie de 12 volts.

image de Christina VanMeter

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Maxime a dit :

Waouh sympa la sonde de Peltier, je connaissais pas !

Si on ventile suffisamment le côté chaud, alors l’autre côté restera froid.

Donc on a un côté très froid et un côté froid (car ventilé) ou alors le côté ventilé reste quand même assez chaud ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@Maxime : l'échauffement par effet joule reste important. Si on peut maintenir le côté le plus chaud à une température la plus froide possible, on pourra descendre le côté froid plus bas.

On atteint grossomodo une difference de 30°C entre les faces (dépend du modèle).
Donc soit on ventile bien (avec un liquide) et on obtient -20°C d'un côté et +10°C de l'autre, soit c'est mal refroidit et on a +20/+50.

Si on ne ventile rien du tout, ça chauffe vraiment beaucoup et on fait bouillir l'eau sur la face chaude. Ça monte donc à plus de 100°C, voire bien plus et c'est dangereux (risque de destruction de la sonde et d'incendie et de brûlures...).

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seb a dit :

Est ce qu'on peut imaginer un module a effet peltier sur un processeur d'ordinateur avec le ventilateur du radiateur alimenté par le courant fournit par l'effet peltier? Et surtout, est ce que ça serait suffisant pour refroidir le processeur?

Je me rend compte en écrivant mon commentaire que le processeur devrait être du coté froid pour pouvoir être refroidit mais du coté chaud pour pouvoir fournir du courant.
Je post quand même au cas où je me trompe :)

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TD a dit :

Le paragraphe sur le refroidissement dans le vide est inexact et tu te contredis. Tu définis bien la notion de température comme l'agitation des particules, mais tu prétends alors que le vide est très froid. C'est faux car la température n'est définie qu'en présence de particules et le vide n'en contient pas, par définition. On aurait pas véritablement froid dans le vide sidéral car la dissipation de chaleur par rayonnement est très lente.

Il y a quelques fautes dans la partie sur la détente d'un gaz. Les espèces chimiques sont de genre masculin et il faut donc écrite « l'azote liquide, très commun » et « l'hélium liquide, il [...] ».

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Le Hollandais Volant a dit :

@seb : je crois que certains constructeurs l'avaient fait sur des ordinateurs portables.
L'avantage, c'est que plus le CPU est chaud, plus le module Peltier génère du courant et plus le CPU est refroidit en retour.
Après, si c'est suffisant... Ça doit dépendre du module utilisé et ses caractéristiques, mais vu comment un CPU chauffe, c'est sûrement possible, tant que l'autre face est bien refroidie (de façon passive, par exemple).

Mais il est aussi possible d'utiliser le module en façon générateur de froid, mais dans ce cas il faut l'alimenter et le ventiler. Ceci est plus courant dans les ordinateurs de bureau fortement customisés.

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Le Hollandais Volant a dit :

@TD : pourtant la température du vide existe bien, car il reste le rayonnement thermique pour chauffer.

Si tu est dans l'air, ton corps rayonne de la chaleur autour de toi. Mais l'air fait exactement la même chose, donc ton corps reçoit un peu de chaleur de la part de l'air.

Dans le vide (et dans le noir), ton corps rayonne et les rayonnements partent loin dans l'univers car il n'y a pas d'air pour le capter. Ton corps finit donc par se vider de sa chaleur et par refroidir, et ceci très rapidement.

Si tu est au soleil dans le vide, ton corps serait bombardé de rayonnement solaire et chauffera extrêmement vite, car ici, il n'y a d'atmosphère qui joue le rôle de filtre et de diffuseurs de chaleur.

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blux a dit :

Pour le réfrigérateur, tu expliques :

Le principe est simple : au contact de l’intérieur du frigo, un liquide est détendu et il s’évapore. En s’évaporant, il capte et piège une partie de la chaleur environnante : l’intérieur du frigo est donc refroidi.
Je trouve que c'est mettre la charrue avant les boeufs...
C'est parce qu'il est en contact avec une partie plus chaude que lui qu'il lui prend des 'calories' (selon les deux premiers principes de la thermodynamique) et qu'ainsi il se vaporise.
La captation de la chaleur du frigo est ce qui permet au liquide de passer en phase gazeuse et non une conséquence, comme le laisse penser ta phrase initiale.
C'est comme lécher le dos de sa main : la sensation de froid est due au fait que la salive prend les calories de la main pour s'évaporer.

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Le Hollandais Volant a dit :

@blux : c’est pas faux ce que tu dis, mais ma tournure met plus en avant le but recherché : utiliser le changement de phase afin d’absorber la chaleur.
Mais je vais changer le « En s’évaporant » en « Pour s’évaporer ».

Ceci dit, dans certaines installations, c’est bien le passage forcé à l’état gazeux qui provoque un refroidissement du fluide.

Exemple : si on a de l’eau et qu’on la place dans une cloche sous vide et qu’on commence à pomper l’air de la cloche, la pression diminue. La température d’ébullition diminue aussi et à un moment on pourra faire bouillir de l’eau à 20°C. Si on continue à pomper, l’eau bouillira (changement forcée de phase, dû à la diminution de la pression et de l’atteinte du point de pression de vapeur saturante) et commencera à refroidir également.
Ici, on aura bien forcé le changement d’état avant d’avoir un échange de chaleur.

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blux a dit :

Ici, on aura bien forcé le changement d’état avant d’avoir un échange de chaleur.
D'accord pour un humain, pas d'accord au plan microscopique/moléculaire.

Tout ceci en considérant que la température/chaleur est la mesure de l'agitation/désordre moléculaire, donc une énergie.

On a bien échangé de la "chaleur" depuis le début, puisque l'on pompe les molécules d'air qui "appuient" sur l'eau pour ne pas qu'elle se vaporise.
Quand tu ôtes cet "appui", tu autorises les molécules d'eau à s'agiter de plus en plus jusqu'à ce qu'elles puissent se détacher les unes des autres. Celles qui passent dans l'air ou le vide restant sont parties avec leur énergie, provoquant un refroidissement (infime) de l'eau liquide.


Pourquoi l'eau peut-elle s'évaporer à température ambiante dans un verre ? C'est parce qu'en permanence il se trouve des molécules qui ont plus d'énergie que les molécules d'air qui les compriment/agitent. En s'évaporant, elles diminuent l'énergie totale de l'eau du verre -> refroidissement

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Gloo a dit :

Bonjour,
Désolé de réveiller un vieux sujet mais en lisant j'ai cru voir plusieurs fois le mot chaleur utilisé avec des termes comme contenus et donner. J'avoue ne pas être assez calé en thermodynamique pour pouvoir affirmer (mon cours sur la thermo vient de commencer) mais s'il y a bien un aspect sur lequel on a insisté, c'est que la chaleur correspond à l'échange en lui même et non à une sorte de fluide échangé. Corrigez-moi si je me trompe...
En tout cas, super blog !

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Le Hollandais Volant a dit :

@Gloo : en effet, il y a une distinction à faire.

En fait, on parle de « transfert de chaleur » ou « échange de chaleur » quand un objet chaud refroidit dans un fluide froid (par exemple un nageur dans l’eau de l’arctique).

La chaleur contenue dans un corps, c’est en fait l’énergie calorique, exprimée en Joule. Cette énergie est appelée « énergie interne » et se définit comme la somme de l’énergie d’agitation thermique de chaque particule.

Si tu prends un bloc d’acier que tu chauffes au rouge, sa température sera importante et son énergie interne sera importante. C’est ça que j’appelle « chaleur contenue dans … ».

Je ne pense pas que ce soit une faute de dire qu’un corps « contient » de la chaleur, car c’est en vérité ce qui se passe : le bloc d’acier « contient » des atomes très agités en lui.


Quand tu poses ce bloc d’acier chauffé au rouge dans de l’eau, alors l’agitation thermique va être progressivement transférée à l’eau (par conduction : agitation par contact) ainsi que par radiation (le corps chauffé au rouge émet de la lumière… rouge ! cette lumière chauffe, même à distance, même à travers le vide au moyen de rayonnements).


L’énergie interne n’est pas exploitable directement (pour faire avancer une voiture, par exemple).

Ce qu’on peut exploiter en revanche, ce sont les courants de convection que va avoir l’eau : l’eau en contact avec le bloc d’acier va chauffer plus rapidement et elle va remonter en surface : ces mouvements de convection peuvent entrainer une turbine et un générateur.

On exploite donc un effet indirect du transfert de chaleur d’un corps chaud vers un corps froid.

Si l’eau avait été à la même température que le bloc d’acier, il n’y aurait jamais eu de transfert de chaleur, ni courants de convection : aucun moyen de récupérer un travail et donc de faire une source d’énergie utile pour nous.


Ce principe, qui dit qu’on ne peut pas avoir de source d’énergie (moteur thermique) quand tout est à la même température ; et qu’il faut obligatoirement un transfert d’un corps chaud à un corps froid, c’est le théorème de Thomson (Thomson, qui plus tard prendra le nom de Lord Kelvin).

Mais tu verras ça surement en cours, je veux pas tout te spoiler :)

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nassimh a dit :

moi j ai envie de creer une couette qui peut etre chaude ou froide quand je veux, et comme j y connais rien je voudrer que tu puisse m aider. merci d avance

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Le Hollandais Volant a dit :

@nassimh : essayes avec le même système qu’un frigo ou une pompe à chaleur.
Ces deux systèmes sont identiques : ils permettent de prendre la chaleur et de les transporter autre part.

Pour le frigo, il prend la chaleur de l’enceinte froide pour la rejeter sur la grille du frigo (derrière le frigo).
Pour la pompe à chaleur, il prend la chaleur dehors pour la rejeter dans la maison.

Le principe est également le même. Il suffirait de faire un système réversible avec un bouton.

Sinon, tu as la solution des modules Peltier : c’est un petit bloc dont une surface est froide et l’autre chaude. Il suffit là aussi d’inversement les branchements et il chauffera ou refroidira à ta convenance.

Après il y a des problèmes pratiques (temps de chauffe, bruit, etc.) mais ça c’est de l’ingénierie :p

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nassimh a dit :

est ce que tu pourrrai m aider plus, par exemple me dire comment les trouver, quelle technique utilise pour le moin de bruit etc......

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nassimh a dit :

me doonner des images etc

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nassimh a dit :

au fait pour l objet que j utilise ce n est pas une couette mais un coussin que je voudrai qu elle soit chaude ou froide, pour la couette c est des couleurs que je veux mettre et si tu pourrais m aider pour les deux je te serai reconnaissant et ton site, il va beaucoup m aider mais c est toi qui decide, si tu m aide ou pasEn plus moi je m y connais rien et c les 2 1er objet que je veux inventer alorss!

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Le Hollandais Volant a dit :

@nassimh : Je vais pas faire tout le boulot. Je peux éventuellement répondre à quelques questions comme j’ai fait plus haut, mais je suis pas à ton service.

Si tu veux ça, crée ton entreprise et embauche des ingénieurs.

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