Le cycle de Carnot inversé : un réfrigérateur
1 · Prédire
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 ?
- 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.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage Carnot-Fridge et appuyez sur Réinitialiser. Les mêmes 4 étapes que le cycle Carnot s'exécutent dans l'ordre inverse.
- Activez l'affichage du travail par étape ainsi que les affichages du COP de refroidissement/chauffage.
- 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.
3 · Collecter les Données
| Numéro d'étape | Volume cible V de l'étape (L) | Travail fourni par le gaz durant cette étape (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Esquissez le diagramme P-V en traçant les étapes dans l'ordre. Comparez le sens de déplacement (dans le sens horaire ou antihoraire) au diagramme de l'expérience du cycle de Carnot.
4 · Analyser
- 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).
5 · Approfondir
- 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.
La physique derrière cette expérience
Coefficient de performance du réfrigérateur
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).