FORMULES de PHYSIQUE
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FROID (SENSATION, PRODUCTION)
-froid (sensation, production)
Le froid est la sensation physiologique résultant d'une perte d'énergie thermique (calorifique)
En langage pratique, c'est la zone de températures au-dessous de zéro degré C°
SENSATION de FROID par le CORPS HUMAIN
Rappel >> la chaleur (énergie calorifique) circule du chaud vers le froid (car la chaleur provient de mouvements moléculaires qui échauffent leur environnement par chocs d'énergie cinétique, aussi bien envers les molécules voisines internes, qu'envers d'autres molécules externes qui les côtoient)
1° cas : contact avec un corps plus froid que notre corps
>> on lui transmet donc notre chaleur (on la perd par conduction)
C'est le cas d'un bain (immersion totale du corps humain qui d'ailleurs, en-deçà de 17° C, est douloureuse)
2° cas : contact avec un corps qui est à la même température que notre corps, mais qui a une forte résistance linéique thermique
>> il absorbe la chaleur qu'on lui confie en le touchant et il se la répartir dans sa propre interface --il aspire nos calories et il nous paraît froid au contact (les métaux, les pierres....)
C'est bien sûr le cas inverse pour les matériaux isolants, dont la texture n'exprime pas de besoins de gavage d'énergie (bois, tapis, étoffes...) qui ne nous donnent pas l'impression de fraîcheur
La notion physiologique d'un échange calorifique, mesuré sous le nom de vitesse de refroidissement, est une perte d’énergie calorifique par unité de temps
Eq = T.t.S.κ’
avec Eq(J)= énergie calorifique échangée entre un corps vivant et le milieu où il évolue
t(s)= temps de l’échange
T(K)= température de discontinuité sur l’interface
S(m²)= surface d’échange
κ’(W/m²-K)= coefficient de transfert thermique du milieu
3° cas : sensation due à une évaporation sur la peau
C'est ici l'enthalpie (énergie thermique) qui est prise à la peau pour assurer la transformation d'état entre le liquide et sa vapeur (la sueur incluse)
4° cas : on ressent une sensation de fraîcheur sur la langue, de la part de certains produits (comme le menthol)
Ce n'est pas là un problème thermique, mais chimique : certains récepteurs des papilles linguales excitent alors des sensibilités nerveuses
REFROIDISSEMENT
Un refroidissement est une diminution de température
Si ce refroidissement est lent, on dit qu'il y a inertie thermique
-refroidissement en fonction de la durée
pour un corps siégeant longtemps dans un milieu ΔtT = (ΔiT).ex
avec ΔtT(K)= différence de température entre celle du corps et celle du milieu, à un instant t(s)
ΔiT(K)= différence de température entre celle du corps et celle du milieu, à l’instant initial
x (exposant) = -T.S.κ' / C
avec C(W/kg-m²)= capacité thermique du corps refroidi
S(m²)= surface de contact entre corps et milieu
T(K)= température
κ'(W/m²-K)= coefficient de transfert thermique
t(s)= temps du refroidissement
-refroidissement d’un corps par cession d’énergie
ΔT = Eq / m.c'
avec Eq(J)= énergie de chaleur cédée par un corps
c’(J/kg-K)= capacité thermique massique
m (kg)= masse du corps
-le froid appliqué à la métallurgie
Le revenu, la trempe.... sont des traitements de métaux, liés à des méthodes de refroidissements
-refroidissement d’un corps situé dans le vide
ΔP = Kr.S.T4
avec ΔP(W)= perte de puissance
Kr(W/m²-K-4)= constante de rayonnement (5,6704004.10-8W/m².K4 )
S(m²)= surface d’émission
T(K)= température absolue
CREATION d'AIR FROID pour CLIMATISATION
-la pompe à chaleur (réversible) sert à climatiser .
La puissance de cet appareil est fonction de :
-la différence de température (ΔT) entre la température espérée à l'intérieur du local et la température minimale extérieure en ce lieu
-la surface (S) du local -ou son volume (V) - la moyenne supposant que 1 m² équivaut à # 2,5 m3
-la résistance linéique thermique moyenne (c*) des matériaux du local
-le rendement (r) de la pompe, sachant que la puissance frigorifique réclamée à l'utilisation est supérieure à la puissance installée, puisqu'une pompe à chaleur produit plus qu'elle ne consomme
La puissance réclamée est : P = V.c*.ΔT.r
Exemple d'une villa de S = 150 m², avec ΔT= 27° (car -7°C en extérieur d'hiver, pour une exigence de 20°C à l'intérieur au même moment), avec c* moyenne de 0,90 W/m-K (béton avec larges huisseries) et une efficacité de 3 de la pompe à chaleur >>> d'où
P = (150 x 2,5)x(27)x(0,90)x(1/3) = 3037 Watts installés (produisant 3 fois plus, soit 9100 W calorifiques utilisables)
La puissance surfacique frigorifique réclamée couvre en pratique une plage de 60 à 85 W/m² (soit 14 à 20 frigories par seconde et par m²) soit aussi 24 à 34 W/m3 si on calcule les valeurs en puissance volumique
Cela correspond à 20 à 28 W/m² en puissance surfacique installée (pour une pompe d'efficacité = 3)
Nota : pour les petits appareils portatifs de climatisation pure, destinés à de petites surfaces (35 à 60 m²) la puissance frigo exigée est plus forte, car il y a plus de déperditions, donc on prend de l'ordre de 100 W/m² (ou 34 Btu/m²) soit en équivalence volumique : 40 W/m3)
CREATION d'AIR FROID pour DOMAINE ALIMENTAIRE
-le réfrigérateur fonctionne comme la pompe à chaleur-reversée
-le congélateur
La température de congélation sécuritaire est de -18°C.
Il y a expansion volumique des denrées, due à la glace (en moyenne de 6%)
La durée de conservation va de 12 à 30 mois (plus il y a d'eau, plus la durée est longue)
La surgélation est le brusque refroidissement des aliments (entre - 40°C et -200°C) permettant d'obtenir une rapide (et plus sûre) température de -18° C de congélation, en prolongement
CREATION de LIQUIDE FROID
Le froid peut venir de la détente d'un gaz, ou d'une liquéfaction, ou d'une machine à produire du froid, ou de la dissolution d'un corps
-machines de liquéfaction à détente
-Système Claude: la détente adiabatique réversible d’un gaz produit un travail du gaz créant une diminution de température
-Système Linde: un gaz qui se détend est mis en contact thermique avec le même gaz circulant en sens inverse dans une autre canalisation sous haute pression
D’après l’effet Joule-Thomson, il y a refroidissement dès lors que le gaz a une température d’inversion plus faible que la température ambiante.
Cette température d'inversion est Ti= 6,75.fois la température critique en K
-émetteurs-générateurs de froid par ondes sonores
Il s'agit d'appareils générateurs d'un son, émis dans un cylindre contenant un gaz.
L'onde sonore comprime et échauffe le gaz à l'aller, puis détend et refroidit le gaz dans son retour, après réflexion au fond du cylindre
Un double échangeur de chaleur (aux 2 bouts) permet de récupérer de l'énergie -dont du froid, côté départ- et on peut ainsi liquéfier des gaz (120° Kelvins)
EXTENSION de l'UTILISATION du mot « FROID »
-émission electronique froide
Terme indiquant une émission d'électrons due à la présence d’un champ d’induction électrique près d’un corps
Ei = E.Q.l
où Ei(J)= énergie d’ionisation
E(V/m)= champ d’induction électrique proche (en général >109 V/m)
Q(C)= charge
-lumière froide
Pour les lampes électriques fluorescentes, une température > à 6000° K correspond à des lumières dites froides, c'est à dire des longueurs d'onde bleu-violacé
-plasmas froids
Il s'agit de plasmas dont la température est < 105 K sous une pression inférieure à la normale (ils sont créés par un champ électrique ou un rayonnement)
-mirage froid
Quand l'air est plus chaud côté ciel que plus bas (côté sol), il apparaît un mirage froid et l'image est alors vue au-dessus du niveau du sol (cette image n'est pas inversée, car la différence d'indice est moins marquée pour la partie haute de l'objet observé que pour sa partie basse
-le principe de la paroi froide (de Watt)
énonce qu'un liquide est en équilibre avec sa vapeur saturante, si pv correspond à la plus basse température de l’enceinte
Valeurs pratiques de cette pression pvf (en Pa, à température ambiante):
Eau(2,3.103)—Toluène(2,9.103)--Acétone(2,4.104)--Ethanol(6.104)