Réfrigérateur

Figure 1 : Un réfrigérateur expulse la chaleur de son intérieur par l'apport de travail.

Un réfrigérateur est un système ouvert qui évacue la chaleur d'un espace fermé vers une zone plus chaude, généralement une cuisine ou une autre pièce. En évacuant la chaleur de cette zone, sa température diminue, ce qui permet à la nourriture et aux autres produits de rester à une température fraîche. Les réfrigérateurs semblent enfreindre la Deuxième loi de la thermodynamique, mais la principale raison pour laquelle ils ne le font pas est le travail nécessaire pour alimenter le système. Ce sont essentiellement des pompes à chaleur, mais elles fonctionnent pour refroidir une région au lieu de la chauffer.

Comment ils fonctionnent

Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur circule toujours spontanément du chaud vers le froid, et jamais dans l'autre sens. Un réfrigérateur fait circuler la chaleur du froid vers le chaud en fournissant du travail, ce qui refroidit l'espace à l'intérieur du réfrigérateur. Pour ce faire, il suit les étapes suivantes, qui peuvent être visualisées à l'aide de la figure 1 :

• On introduit du travail ([math]\displaystyle{ W_{en} }[/math]) qui comprime un liquide de refroidissement, augmentant sa température au-dessus de celle de la pièce.
• La chaleur passe de ce liquide de refroidissement à l'air de la pièce ([math]\displaystyle{ Q_H }[/math]), ce qui réduit la température du liquide de refroidissement.
• Le liquide de refroidissement se dilate, et il se refroidit en dessous de la température à l'intérieur du réfrigérateur.
• La chaleur passe du réfrigérateur au liquide de refroidissement ([math]\displaystyle{ Q_C }[/math]), ce qui fait baisser la température à l'intérieur.

Ce processus est cyclique et permet de faire fonctionner les réfrigérateurs aussi longtemps que nécessaire. Le travail nécessaire en entrée du système est donné par l'équation suivante

[math]\displaystyle{ W_{en}=Q_H-Q_C }[/math]

avec les variables indiquées dans la figure 1. Cette équation montre qu'un réfrigérateur doit évacuer plus de chaleur dans la pièce qu'il n'en retire à l'intérieur. Cela a des conséquences importantes sur la possibilité ou non de refroidir une pièce en laissant la porte du réfrigérateur ouverte.

Rendement

Le rendement des réfrigérateurs s'est considérablement amélioré au fil des ans. Aujourd'hui, les réfrigérateurs américains consomment moins de 500 kWh/an, soit beaucoup moins que les 1800 kWh typiques de 1972. Des améliorations ont été apportées et continuent d'être apportées à l'isolation, à la performance du compresseur, à l'échange de chaleur dans l'évaporateur et le condenseur, aux ventilateurs et à d'autres composants du réfrigérateur.

Les réfrigérateurs certifiés U.S. Energy Star doivent consommer 20 % d'électricité en moins que la norme minimale américaine pour les réfrigérateurs. Il existe un calculateur (que vous trouverez ici) qui vous permet de calculer les économies annuelles réalisées avec un réfrigérateur certifié Energy Star, par rapport au modèle que vous possédez, en fonction de ce que vous payez pour l'électricité.

Coefficient de performance (Rendement)

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Dans le cas des réfrigérateurs, le fabricant souhaite rendre l'espace plus froid tout en effectuant le moins de travail possible. En effectuant peu de travail pour refroidir l'appareil, le réfrigérateur peut rester à la température souhaitée tout en utilisant moins d'électricité, ce qui permet au propriétaire de faire des économies. Le nombre qui décrit cette idée est le coefficient de performance, [math]\displaystyle{ K }[/math], qui est essentiellement une mesure de rendement. L'équation de ce coefficient est la suivante

[math]\displaystyle{ K=\frac{Q_C}{W_{en}} }[/math]

Plus cette valeur est élevée, mieux c'est, car cela signifie qu'il y a moins de travail à fournir pour refroidir le réfrigérateur.

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