Thermodynamique

Réfrigérateur (Carnot inversé)

Fonctionne à l'envers  : le travail entrant pompe la chaleur du froid vers le chaud (COP = Tc/(Th−Tc)).

Réfrigérateur (Carnot inversé) — simulation interactive de Thermodynamique. Fonctionne à l'envers  : le travail entrant pompe la chaleur du froid vers le chaud (COP = Tc/(Th−Tc)). Laboratoire virtuel de physique gratuit dans le navigateur, avec mesures SI en direct et tutoriel guidé.

COP du réfrigérateur

Fonctionne en sens inverse  : le travail pompe la chaleur de froid→chaud (COP = Tc/(Th−Tc)).

Un réfrigérateur est une machine thermique fonctionnant à l'envers  : le travail électrique fait passer la chaleur de l'intérieur froid vers la pièce chaude. Le coefficient de performance COP = Q_c/W peut dépasser 1 car la chaleur pompée est plus grande que le travail fourni — contrairement au rendement, qui est toujours ≤ 1.

• Coefficient de performance COP = T_c/(T_h−T_c)
• Entrée de travail

Mémoire d'enquête

Planifiez la question avant d'ouvrir le laboratoire

Le brief reprend la page pré-rendue  : question directrice, prédictions concurrentes, rôles des variables, lois directrices, préparation et consignes d’analyse et de prolongement restent visibles et dans cet ordre.

Question de conduite

L'exécution du cycle Carnot à l'envers transforme un moteur en réfrigérateur  : le réseau entre au lieu de sortir. Le gaz absorbe-t-il toujours la chaleur du réservoir froid, comme un vrai réfrigérateur extrayant la chaleur de son intérieur ?

Des pronostics à peser

• Non – l’inversion du cycle inverse également le réservoir qui absorbe la chaleur.
• Un cycle inversé n’échange de chaleur avec aucun des réservoirs.
• Oui, le cycle inversé absorbe la chaleur du côté froid et rejette davantage de chaleur vers le côté chaud, en utilisant le travail d'entrée pour le faire.

Rôles variables

Ce que vous définissez  :

• Numéro d'étape

Ce que vous mesurez  :

• Volume cible V de l'étape (L)
• Travail fourni par le gaz durant cette étape (J)

Comment se déroule l'enquête

1. Ouvrez le préréglage Carnot-Fridge et appuyez sur Réinitialiser. Les mêmes 4 étapes que le cycle Carnot s'exécutent dans l'ordre inverse.
2. Activez l'affichage du travail par étape ainsi que les affichages du COP de refroidissement/chauffage.
3. Pour chaque étape du cycle (1 à 4), lisez le volume cible de l'étape et le travail effectué par le gaz pendant cette étape.

Équation gouvernante

Coefficient de performance du réfrigérateur — COP = Tc / (Th − Tc)

Les performances de refroidissement d'un cycle de Carnot inversé sont mesurées par COP_cool = Tc/(Th − Tc)  : quantité de chaleur évacuée de l'espace froid par unité de travail fournie. Des écarts de température plus petits donnent un meilleur COP (plus élevé).

Ce que la feuille de travail imprimable demande aux élèves de résoudre

• Additionnez les valeurs de travail de vos 4 legs — le total (travail net effectué PAR le gaz) devrait être négatif, ce qui signifie que le travail net doit être fourni AU gaz. Calculez le COP de refroidissement = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 et le COP de chauffage = Th/(Th − Tc) = 2.0.
• Comparez l'ordre des étapes ici à l'ordre des étapes de Carnot-cycle. Expliquez comment le simple fait d'inverser la séquence des mêmes 4 legs fait passer le cycle d'un moteur (travail net) à un réfrigérateur (travail net).

Où cela apparaît au-delà du laboratoire

• Un COP de refroidissement de 1.0 signifie que le réfrigérateur déplace 1 J de chaleur hors de l'espace froid pour chaque 1 J de travail fourni. Un COP de chauffage de 2.0 (mode pompe à chaleur) signifie qu'il fournit 2 J de chaleur à l'espace chaud par 1 J de travail. Expliquez pourquoi COP_heat est toujours exactement 1 plus que COP_cool pour les mêmes réservoirs.
• Contrairement au rendement du moteur (toujours ≤ 1), le COP peut dépasser 1 — ce n'est pas une violation des économies d'énergie. Expliquez pourquoi COP > 1 est possible  : l'énergie supplémentaire fournie provient du refroidissement du réservoir et non d'une création à partir de rien.

• AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
• IB Physics — B.4 Thermodynamics
• General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
• NGSS High School Physics — Thermal energy transfer

1. Bienvenue dans le réfrigérateur de Carnot
2. Sélectionnez la enceinte
3. Appuyez sur Lecture
4. COP du réfrigérateur
5. Ouvrez l'Inspecteur
6. Bravo !

Ouvrez la simulation interactive pour construire la scène, appuyez sur Lecture et explorez avec des mesures en direct et un tutoriel guidé.

Ouvrir le laboratoire interactif →

Télécharger la fiche de laboratoire →

Moteurs thermiques et rendement de Carnot