RESUME
La contradiction avec le principe de Carnot est examinée.
L’absence de travail nécessaire à fournir dans le procédé s’explique très simplement par le fait que chaque molécule est accélérée en arrivant sur la plaque, puis ralentie selon la même valeur d’énergie lorsqu’elle repart. W1 – W2 = 0. Le champ électrique ne fournit aucune énergie aux molécules qu’il ne puisse récupérer. L’énergie est continuellement donnée et reprise aux molécules de gaz dans leur va-et-vient entre les plaques. (Voir « Avantages de l’invention »)
Avantage de l'invention par rapport aux pompes actuelles
Les avantages obtenus, grâce à cette invention, sont ceux des pompes thermoélectriques : compacité, simplicité, pas d’organe en mouvement et donc pas de bruit, mais avec en plus un très bon coefficient de performance, en mesure de réaliser des économies d’énergie et de réduire la pollution [coefficient de performance ou COP = rapport de la quantité d’énergie rejetée à la source chaude (en calories) sur le travail fourni à la pompe (en Joules – 1 calorie = 4,18 Joules)]. Voir aussi, dans les applications, les possibilités nouvelles induites par ce coefficient de performance.
Pourquoi le coefficient de performance du procédé (COP) peut-il dépasser celui de Carnot. Comparaison des cycles thermodynamiques.
Théorème de Carnot :
| Q2 (chaleur rejetée à la source chaude) = | T2 ( température source chaude) |
| Q1 (chaleur prélevée à la source froide) | T1 ( température source froide) |
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D’après le théorème de Carnot, si l’on dispose d’une source froide à 150 Kelvins et d’une source chaude à 300 K (T source chaude / T source froide = 2) le prélèvement d’une calorie à la source froide induit le rejet minimum de 2 calories à la source chaude, la seconde calorie provenant du travail minimum fourni à la pompe (4,18 Joules). Dans ce cas, le COP de Carnot = 2. Pour mettre en lumière la cause du travail irréductible à fournir dans tous les procédés actuels, il convient d’observer en détail le cycle de Carnot, qui constitue une méthode parfaite du point de vue de l’économie du travail à fournir dans une pompe à chaleur à compression mécanique.
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Considérons 1 mole de gaz parfait à 150 K
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(1) On compresse le gaz adiabatiquement pour leréchauffer jusqu’à la température de la source chaude. (2) Après l’avoir mis en contact avec la source chaude, on le compresse encore de manière isotherme pour écouler de la chaleur dans celle-ci. Cette opérationdoit se faire très lentement pour ne pas chauffer legaz par rapport à la source chaude. (3) On le détend adiabatiquement pour le refroidir jusqu’à la température de la source froide. (4) Après l’avoir mis en contact avec la source froide, on le détend encore de manière isotherme (trèslentement) pour puiser de la chaleur dans celle-ci.
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On s’aperçoit que l’on obtient, à très peu de chose près, le même résultat en supprimant la compression et la détente isotherme et en les remplaçant par une petite différence de température entre le gaz et la source chaude ou froide au moment de leur mise en contact. Cette méthode nous rapproche nettement du cycle thermodynamique de l’invention, et va montrer clairement la différence et l’originalité de l’invention.
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(1) Compression adiabatique du gaz (1 mole) et réchauffement de 150 à 302 K (302 K est choisi arbitrairement) W1=1895.66 Joules avec W = 3/2 R (T2-T1)
chaleur dégagée dU = 24,94J avec U = 3/2 RT
W2 = 1883,11 Joules Cette fois la température de 149,0066 K est déterminée par le rapport des volumes V1 / V2, identique dans la compression et la détente avec T2 = (V1/V2)2/3 x T1 et V2 = V1 / (T2/T1)3/2.
Chaleur emmagasinée = 12,39 Joules. |
On peut résumer la situation par le cycle énergétique du gaz représenté ci-dessous : si l’on prélève 12,39 Joules à la source froide, on rejette 24,94 Joules à la source chaude, soit une différence de 12,55 J , qui correspond exactement au travail globalement dépensé dans le cycle (W1 – W2). Comme prévu, une calorie prélevée à la source froide induit le rejet de deux calories à la source chaude (24,94 / 12,39 = 2,013), la seconde calorie provenant du travail fourni.
On voit que l’énergie du gaz, c’est à dire sa température, est en moyenne plus élevée dans la compression que dans la détente, pour la simple raison qu’il est réchauffé juste avant la phase de compression et refroidi juste avant la phase de détente. Or, si le gaz est plus chaud dans la compression, sa pression est aussi plus élevée. Par conséquent, le travail de compression W1 est forcément plus important que le travail de détente W2, d’où un travail global irréductible à fournir ( 12,55 J en l’occurrence).
Cycle de la pompe électrostatique
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(1) Accélération ou réchauffement de la molécule de gaz dans le champ d’attraction. (2) Refroidissement par accommodation thermique (3) Ralentissement ou refroidissement de la molécule dans le champ d’attraction (4) Réchauffement par accommodation thermique. |
Le travail du piston dans le cycle de Carnot est remplacé ici par le travail du champ d’attraction, et la mise en contact du gaz avec la source chaude ou froide dans le cycle de Carnot s’effectue ici par accommodation thermique. Mais, alors que dans le cycle de Carnot, le travail de compression nécessaire pour réchauffer le gaz (W1) était supérieur au travail de détente (W2) qui le refroidissait, cette fois ci le champ d’attraction accélère puis ralentit la molécule selon la même énergie potentielle W1- W2 = 0.
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Pour mettre cet aspect en lumière, on pourrait comparer la molécule qui tombe sur la plaque à un ballon dans l’espace qui tombe sur une planète (il faut supposer qu’il n’y a pas d’atmosphère et que le ballon possède une vitesse initiale élevée). En pénétrant dans le champ de pesanteur de la planète, le ballon est accéléré. Par l’effet du choc, il cède de l’énergie sous forme de chaleur, et donc rebondit à une vitesse inférieure. En remontant, il ralentit, et retourne dans l’espace avec une énergie cinétique inférieure à celle qu’il avait avant de tomber sur la planète. Sa courbe énergétique correspondrait exactement à celle décrite dans la partie gauche du schéma ci-dessus.
Une fois sorti du champ de pesanteur, le ballon n’a aucune dette énergétique vis à vis du champ de pesanteur. Celui-ci accélère le ballon en tombant, mais il le freine tout autant en remontant. Le principe de conservation d’énergie est respecté. L’énergie libérée dans le choc est payée par un ralentissement final du ballon, mais absolument pas par le champ de pesanteur. Il en va de même pour une molécule dans le champ d’attraction électrostatique.
On peut s’en persuader en observant l’expérience de la lame que l’on introduit dans le condensateur. Pour avoir une image plus rapprochante, on peut remplacer la lame par une boule que l’on ferait rouler sur un plan horizontal, comme représenté sur le schéma ci-contre. En pénétrant dans le champ électrique du condensateur, la boule accélère, son énergie cinétique augmente d’une valeur correspondant à l’énergie d’attraction de la boule, elle frappe la plaque de rebond en cédant de l’énergie, repart donc à une vitesse inférieure, puis elle ralentit en sortant du champ électrique du condensateur. Dans cette opération, si le condensateur est maintenu à charge constante (et non pas à potentiel constant), il n’y a aucune dépense d’énergie électrique avec une isolation électrique parfaite. C’est exactement pareil avec les molécules dans le procédé. Il n’en allait pas de même dans le cycle de Carnot où la fourniture de travail consacrée à l’accélération des molécules dans la compression ne pouvait en aucun cas être totalement récupérée par leur décélération dans la détente, la chaleur libérée à la source chaude était payée en partie par le travail du piston.
En conclusion, il n’y a plus nécessairement un travail à fournir qui serait transformé en chaleur et rejeté à la source chaude. Dans le cas où le travail est nul, chaque calorie prélevée à la source froide est rejetée à la source chaude, sans plus. Nous verrons, dans les applications, les conséquences induites par cette propriété nouvelle.
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