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Etude d'un système thermodynamique

Dans cette vidéo, on étudie le fonctionnement d'un réfrigérateur selon la méthode des machines thermiques. On utilise un schéma pour représenter les grandeurs Qc, Qf et W, ainsi que les sources chaudes et froides. Le réfrigérateur utilise un fluide frigorigène pour absorber la chaleur à l'intérieur et la restituer à l'extérieur. Le compresseur fournit le travail mécanique nécessaire, généralement sous forme d'énergie électrique. La source chaude est l'extérieur, où le fluide frigorigène transfère de l'énergie thermique. La source froide est l'intérieur du réfrigérateur, d'où l'énergie est prélevée. Les grandeurs Qc, Qf et W sont définies comme étant l'énergie reçue par le fluide frigorigène. La valeur positive de W signifie que le compresseur fournit de l'énergie mécanique au fluide. La valeur positive de Qf indique que le réfrigérateur transfère de l'énergie au fluide frigorigène. Au contraire, la valeur négative de Qc représente l'énergie que le réfrigérateur cède au milieu extérieur. La vidéo souligne également l'importance de comprendre ces grandeurs algébriques pour pouvoir mener une étude approfondie des systèmes thermodynamiques.

Bonjour à tous, c'est Matisse de Studio et dans cette vidéo, on va se pencher sur le fonctionnement d'un réfrigérateur. Alors, en le justifiant rigoureusement, déterminer le signe des grandeurs Qc, Qf et W dans le cas du réfrigérateur. Préciser également la nature des sources chaudes et froides en recopiant le schéma ci-dessous. Donc, en fait, cet exercice intervient dans un cadre d'études d'une méthode très classique qui est celle des machines thermiques. En fait, il y a un gros pan d'études en thermodynamique, c'est celle des machines thermiques. Donc, c'est les moteurs mais aussi les chauffages, les réfrigérateurs. A partir de là, on peut les analyser tous avec le même schéma. Donc, c'est important de comprendre comment est-ce qu'on modélise justement le fonctionnement de ces machines thermiques. On commence avec le fonctionnement d'un réfrigérateur. Le schéma juste au-dessus, on peut, voilà, appréhender difficilement ces grandeurs Qc, Qf, W, les sources chaudes et froides. Je vais vous expliquer tout ça. On a déjà des pistes de réflexion avec la description. Un réfrigérateur fonctionne en faisant circuler, en fait, un fluide, fluide d'origine qui subit quatre transformations. Donc, à une température très basse, il reçoit de la part de l'intérieur du réfrigérateur un transfert d'énergie thermique. Il reçoit ensuite un travail mécanique de la part du compresseur. Sa pression augmente, ce qui provoque une évaluation de température. Il circule ensuite en contact avec le milieu extérieur auquel il transfère une partie de son énergie sous forme thermique. Et puis, il circule ensuite dans le condensateur en contact avec le milieu extérieur auquel il transfère une partie de son énergie sous forme thermique. Donc, en fait, un réfrigérateur, il va se baser sur un fluide frigorigène. Donc, c'est lui qui va faire tout le travail, en soi. C'est-à-dire qu'il va venir élever de l'énergie à l'intérieur du réfrigérateur. Il va faire plus froid, donc, à l'intérieur. Et il va venir la restituer au milieu extérieur. Donc, il va élever la température du milieu extérieur. En général, c'est l'air extérieur. Donc, en soi, comment est-ce qu'on fait tout ça ? Bien sûr, ça a un prix. C'est le compresseur qui va fournir du travail mécanique. Ça peut être de l'énergie électrique pour que le réfrigérateur fonctionne. Donc, si on recopie le schéma et qu'on identifie la source chaude et la source froide, ça donne quoi ? Donc, on a bien sûr le fluide frigorigène qui est au centre, vous l'avez compris, de toute l'action du réfrigérateur. Et ensuite, on a le compresseur qui va fournir du travail mécanique. Le milieu extérieur qui fait office de source chaude. C'est-à-dire, ça va être la partie chaude de l'étude de notre système. C'est la partie la plus chaude de système à quatre parties. Donc, le fluide frigorigène, le compresseur, le milieu extérieur et le réfrigérateur. Le réfrigérateur, c'est la source froide. C'est là qu'on va venir prélever de l'énergie. Donc, ça correspond à quoi les grandeurs que l'on a déterminées ? En fait, il faut comprendre que ce sont des grandeurs algébriques. C'est-à-dire qu'il y a un sens. C'est de l'énergie échangée entre différents systèmes, mais dans un sens très particulier. On définit ces grandeurs comme étant, à chaque fois, l'énergie que reçoit le fluide. Voilà, c'est pour ça qu'on a indiqué les flèches dans ce sens-là. Et donc, pour le travail mécanique que reçoit le fluide, est-ce qu'il est positif ou négatif ? C'est là qu'on commence à faire les distinctions. Donc, s'il est positif, ça veut dire que le compresseur va donner de l'énergie mécanique au fluide frigorigène. Il va le compresser. Et s'il était négatif, ça voudrait dire que le fluide frigorigène lui cède de l'énergie. Donc, on a compris qu'il est bien sûr positif. C'est le compresseur qui va venir comprimer le fluide pour élever sa température. Maintenant, qu'en est-il de transfert thermique au niveau de la source froide ? Donc, on se souvient, c'est de l'énergie échangée. Donc, si elle est positive, sachant qu'elle est définie comme étant l'énergie que reçoit le fluide, si elle est positive, ça veut dire que le réfrigérateur cède de l'énergie au fluide frigorigène. Il lui donne de l'énergie, car elle est positive. Si elle était négative, bien sûr, ça voudrait dire que le réfrigérateur reçoit de l'énergie de la part du fluide frigorigène. Or, tout le but d'un réfrigérateur, c'est de prélever de l'énergie à l'intérieur de sa cavité, donc à l'intérieur du réfrigérateur. C'est pourquoi le transfert thermique, l'énergie échangée par le réfrigérateur au fluide frigorigène, elle est strictement positive. Tandis qu'au milieu extérieur, elle est négative, vu que le fluide frigorigène va céder de l'énergie au milieu extérieur, il va élever sa température, donc il va lui transférer une énergie qui est positive. Ainsi, avec la convention comme quoi on raisonne, en fait c'est une sorte de double négation, comme on pourrait dire en français, si on considère l'énergie que reçoit le fluide frigorigène de par le milieu extérieur, et bien cette énergie est négative, vu que dans la réalité, c'est le fluide qui cède de l'énergie au milieu extérieur. Donc voilà, c'est la fin de cette étude très préliminaire de ce système, de cette machine thermique qu'est le réfrigérateur. En fait, on peut mener le même travail pour des cas autres, comme un chauffage, une pompe à chaleur, mais aussi un moteur. En fait, ce qui est très important de comprendre, c'est bien sûr ces grandeurs algébriques, essayer d'identifier est-ce que le fluide reçoit ou cède du système, et à partir de là, on peut continuer toute l'étude du système thermodynamique pour établir tout un tas de résultats sur les températures. Merci beaucoup d'avoir suivi cette vidéo, et puis à bientôt !

Étude d’un réfrégirateur

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