Température et chaleur : cours de CAP

Dans la vie de tous les jours, on mélange tout : « il fait chaud », « le radiateur chauffe », « l'eau est chaude ». Dans le langage courant, le mot chaleur désigne d'abord ce que l'on ressent du corps, la perception de la température et de l'énergie thermique.³ En physique-chimie, et donc dans ton futur métier, ce mot a un sens plus précis. Mélanger les deux idées conduit à des erreurs de raisonnement, et parfois à de mauvais réglages sur une installation.

Dans ce cours, tu vas apprendre à répondre à trois questions simples :

• Qu'est-ce que la température et qu'est-ce que la chaleur ? En quoi sont-elles différentes ?
• Dans quel sens la chaleur se déplace-t-elle, et pourquoi ?
• Comment une pompe à chaleur réussit-elle à faire l'inverse de ce qui se passe naturellement, et comment juge-t-on son efficacité ?

Ce chapitre est le point de départ du thème « Thermique ». Il prépare directement les chapitres sur les changements d'état, puis sur les transferts thermiques et l'isolation. Aucune notion préalable n'est nécessaire : il suffit de savoir lire un thermomètre et de faire une soustraction ou une division.

La température sert à situer un corps sur une échelle du plus froid au plus chaud. On la lit avec un thermomètre, en degrés Celsius (°C) dans la plupart de tes exercices. Une température ne se « verse » pas, ne se « stocke » pas dans un réservoir : c'est un état du corps à un instant donné.

On peut comparer deux températures, et c'est ce qui compte ensuite. Si l'eau d'un ballon est à 60 °C et l'air de la pièce à 20 °C, on dit que l'eau est plus chaude que l'air, avec un écart de température de $60 - 20 = 40$ °C.

Cette définition contient deux idées à retenir.

Première idée : il faut une différence de température. Si deux corps sont à la même température, rien ne motive un échange. C'est l'écart qui provoque le transfert, comme une pente fait rouler une bille.

Deuxième idée : la chaleur est un échange. On ne dit pas qu'un corps « contient de la chaleur » ; on dit qu'il en reçoit ou qu'il en cède. Un corps qui reçoit de l'énergie thermique voit en général sa température monter ; un corps qui en cède se refroidit.

La distinction se résume dans un tableau.

Le mot « spontanément » signifie : sans que personne ait besoin de fournir un effort ou une machine. Un radiateur chauffe la pièce parce que l'eau du radiateur est plus chaude que l'air ; un glaçon fond dans ta main parce que ta main est plus chaude que lui. Tu n'as jamais vu un verre d'eau tiède se réchauffer tout seul en puisant de l'énergie dans un glaçon : le sens inverse ne se produit pas de lui-même.

Le transfert ralentit à mesure que les températures se rapprochent, et il s'arrête quand elles deviennent égales. C'est pour cela que ton café finit par être à la température de la pièce.

Le transfert de chaleur emprunte trois chemins : la conduction, la convection et le rayonnement. Voici deux d'entre eux à connaître dès maintenant.

• La conduction thermique : l'énergie passe de proche en proche grâce au mouvement désordonné de particules microscopiques, des atomes ou des molécules.³ Tu la sens quand tu tiens une cuillère dans une soupe chaude : le manche finit par chauffer.
• Le rayonnement : l'énergie se propage par des photons entre des corps séparés.³ Tu la sens quand tu te places devant un feu de cheminée sans le toucher.

Tu retrouveras ces modes et d'autres cas en détail dans le chapitre « Transferts thermiques et isolation ». Pour l'instant, retiens que la chaleur peut passer avec ou sans contact et que, dans tous les cas, elle va du plus chaud vers le plus froid.

Si la chaleur va naturellement du chaud vers le froid, comment une maison peut-elle se chauffer avec l'énergie de l'air extérieur, plus froid qu'elle ? C'est le rôle de la pompe à chaleur.

Pour réussir cet exploit, la machine ne peut pas rester passive : elle dépense du travail pour faire passer l'énergie du corps le plus froid vers le corps le plus chaud.³ Dans une installation courante, ce travail est fourni par l'électricité qui alimente la machine. C'est comparable à une pompe à eau : l'eau descend toute seule, mais pour la faire monter il faut dépenser de l'énergie.

Selon le sens de fonctionnement, la même idée sert à deux usages :

• chauffer, si l'on veut élever la température de la source chaude ;
• refroidir, si l'on veut abaisser la température de la source froide.²

Le second usage est celui de la quasi-totalité des climatiseurs et des réfrigérateurs.² Ton frigo est donc, au fond, une pompe à chaleur : il retire de l'énergie à l'intérieur et la rejette dans la cuisine.

Le COP n'est pas une constante. Il varie selon la température du milieu où la machine prélève l'énergie et selon celle du milieu où elle la distribue. Plus l'écart entre ces deux températures est élevé, plus le COP est faible.² Autrement dit, une PAC travaille mieux quand elle a peu de « dénivelé » thermique à franchir.

Pour le mode refroidissement, le même type de coefficient porte un autre nom : EER, ou « COP froid ».²

Une pompe à chaleur ne chauffe pas seule : elle envoie de l'eau vers des émetteurs, par exemple des radiateurs. Leur dimensionnement compte beaucoup. Une PAC n'offre une efficacité intéressante que si elle est reliée à des émetteurs prévus pour fonctionner à des températures basses.²

Pourquoi ? Parce que, d'après ce que tu viens de voir, un écart de température plus grand fait baisser le COP.² Si les radiateurs exigent une eau très chaude, la PAC doit « monter » l'énergie plus haut et consomme davantage pour le même résultat.

Que faire lors d'une rénovation ? Deux pistes existent :

• réutiliser des radiateurs anciens lorsqu'ils conviennent à une eau moins chaude ;²
• redimensionner certains radiateurs pour donner une plus grande surface d'émission au local concerné, ce qui compense la baisse de température. C'est la solution la plus courante en rénovation.²

Si les radiateurs ne conviennent pas, une autre source d'énergie doit relever la température du circuit.² Comme il faut maintenir l'eau aussi peu chaude que possible pour garder un bon COP, on règle aussi la machine finement selon la température extérieure.²

Avant de passer aux exercices, vérifie que tu sais répondre à voix haute à ces questions : une température peut-elle se transférer ? (non, c'est la chaleur qui se transfère) ; dans quel sens va la chaleur toute seule ? (du chaud vers le froid) ; qu'est-ce qui oblige une PAC à dépenser de l'énergie ? (elle va contre le sens spontané) ; que signifie un COP de 4 ? (4 unités de chauffage pour 1 unité consommée).