La thermodynamique : aux sources de votre chauffage

Vous voulez savoir comment mieux chauffer votre maison ? Avec la hausse des prix de l’énergie, c’est indispensable. Depuis 2020, les prix du gaz et de l’électricité ont augmenté de 40 à 45 %. Le mieux est de modifier votre façon d’envisager votre consommation d’énergie. Cela touche aux équipements, aux usages et à l’isolation. Comment y parvenir ? Commencez, avec nous, par comprendre la thermodynamique, seule science permettant d’expliquer le fonctionnement de la chaleur.

La thermodynamique est formée à partir des termes grecs “thermos” et “dunamis”. Le premier signifie chaleur et le deuxième puissance. Concrètement, conceptualisée en 1850 par Sadi Carnot, auteur de “Réflexion sur la puissance motrice du feu“, la thermodynamique est l’étude physique des rapports entre la chaleur et les mouvements.

Sur le plan mathématique, l’étude de la thermodynamique est surtout caractérisée par des calculs différentiels difficiles à manier. Mais il est possible de l’expliquer sans les mathématiques. Ainsi, comprendre la thermodynamique c’est :

La première loi concerne la conservation de l’énergie. Selon la thermodynamique, l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée. La deuxième loi est l’entropie, selon laquelle un système laissé libre évolue systématiquement vers le désordre. C’est cette loi qui vous intéresse, puisqu’elle mène à la notion de chaleur. Mais avant, passons par quelques éclaircissements concernant la transformation.

La thématique de la transformation doit être évoquée pour comprendre la thermodynamique. Elle comporte deux principaux volets : les états extrêmes — ou d’équilibre — et les différentes formes de transformation.

En thermodynamique, la transformation signifie que les corps passent d’un état d’équilibre à un autre. Selon la première loi, ce processus ne génère ni transfert ni création. Ce principe s’applique particulièrement bien aux gaz, dont l’état d’équilibre est caractérisé par une température et une pression uniforme et constante. En modifiant les deux paramètres, le gaz change d’état d’équilibre et se transforme, mais aucun élément nouveau n’est créé. Il conserve ses propriétés de gaz”x” ou “y”.

Par ailleurs, la thermodynamique prouve que des transformations particulières existent. Certaines se manifestent quand, à l’intérieur du système en transformation, un seul paramètre est maintenu constant :

Pour la transformation isobare, prenons l’exemple d’une casserole d’eau avec un couvercle posé. Quand l’eau bout, on a fait varier l’énergie interne. La conséquence est une augmentation de la chaleur et du volume. Pour conserver une pression constante, il faut laisser libre le couvercle. L’eau change d’état, conserve un paramètre constant, et garde toutes ses propriétés d’eau.

Ainsi, vous savez maintenant que la thermodynamique étudie les mouvements et les transferts d’énergie. Le principe étant que les différences d’énergie interne expliquent les transformations. Illustrons avec un tableau.

Maintenant, approchons-nous un peu plus des sujets domestiques. Pour cela, il faut approfondir les notions d’énergie et de transfert d’énergie. Cela conduit naturellement aux notions de variation d’énergie, puis, par ricochet, de chaleur et de travail.

La thermodynamique établit que l’énergie est la somme de l’énergie potentielle (cumulée) et de l’énergie cinétique. L’exemple utile est une bille oscillant en balancier au bout d’un fil. Si la bille est en haut de sa course (fil horizontal), son énergie potentielle est au maximum. En bas de sa course (fil vertical), son énergie cinétique est au maximum (la bille va plus vite).

Continuons le raisonnement. La somme de deux énergies (potentielle et cinétique) représente l’énergie interne des molécules ou d’un corps, notée U. Il y a transfert d’énergie quand une variation d’énergie interne existe. Cette variation d’énergie interne peut prendre uniquement deux formes : le travail (W) et la chaleur (Q).

Le travail est l’échange d’énergie cinétique (ou mécanique) ordonné entre deux corps. C’est une quantité, mesurée en joules. Par exemple, cela peut être le mouvement du piston dans un cylindre, pour les machines à combustion interne (moteurs). L’autre exemple est la compression d’un gaz dans un système fermé, qui convertit l’énergie mécanique en énergie thermique.

La chaleur est un échange désordonné d’énergie cinétique entre les molécules d’un corps. La chaleur est aussi une quantité, mesurée en joules. Il peut s’agir d’un gaz, d’un liquide ou d’un solide. Plus les molécules se déplacent vite, plus les collisions entre elles sont fréquentes. Ces collisions incohérentes génèrent de l’énergie, appelée chaleur.Bon à savoir : la température ne mesure pas la quantité de chaleur. Elle renseigne uniquement sur le sens du transfert d’énergie entre deux corps. Si vous touchez un objet qui vous semble froid, cela signifie simplement que l’énergie interne de votre corps passe de votre main à l’objet.

Vu d’avion, un cortège est un ensemble fermé composé de personnes, qu’on assimilera à des molécules. Mettons cette foule dans trois situations pour illustrer le travail et la chaleur :

Ce qui vous intéresse est la chaleur, une énergie désordonnée. Comment cette énergie se propage-t-elle ? La thermodynamique a identifié trois modalités de transfert thermique. Il s’agit de la conduction, de la convention et du rayonnement thermique. La conduction se produit par contact direct entre les molécules. La convection implique des mouvements de fluides. Le rayonnement s’effectue sous forme d’ondes électromagnétiques.

Découverte en 1850, la thermodynamique a permis d’importants progrès technologiques dans l’habitat, elle a donné naissance au concept de générateur de chaleur domestique. Cela implique notamment la création du chauffage central (chaudières à charbon, à fioul, à gaz) et du chauffage par points (radiateurs électriques). Les meilleures illustrations de la thermodynamique sont les pompes à chaleur.

Les premières machines thermodynamiques de création de chaleur datent du début du XXe siècle. En France, elles font leur apparition dans les années 50. Les pompes à chaleur aérothermiques (air-air, air-eau) ou géothermiques ont un fonctionnement qui repose sur le changement d’état (liquide/gaz) du fluide frigorigène. Ce processus exploite le cycle thermodynamique de compression/condensation/évaporation.

Les chauffe-eau thermodynamiques sont de petites pompes à chaleur aérothermiques. Ils reposent sur le même principe thermodynamique de transfert d’énergie. En compressant le fluide frigorigène, il accroît les collisions entre les molécules du fluide frigorigène. Ce regain d’énergie cinétique crée de la chaleur, que le système transfère ensuite à une réserve d’eau chaude (cumulus).

Comprendre la thermodynamique devrait vous aider à sélectionner le bon mode de chauffage. C’est utile pour choisir parmi les différentes sources d’énergie disponibles aujourd’hui. La thermodynamique appliquée au chauffage utilise les calories gratuites de l’air, du sol ou de l’eau. Présentons ses trois principaux avantages.

Les PAC thermodynamiques consomment de l’électricité (entre 1 500 et 2 500 kWh/an). Toutefois, par rapport à une chaudière à gaz, les économies sur la facture énergétique sont importantes. Comptez entre 30 et 70 % selon qu’il par rapport à une chaudière gaz ou fioul.

La thermodynamique produit de la chaleur sans combustion. Aussi, les pompes à chaleur émettent peu de CO₂ et de particules fines. C’est encore plus vrai en France où la production d’électricité est majoritairement décarbonée. Comparativement, elles émettent trois fois moins de CO₂ que les chaudières gaz et fioul.

Enfin, la thermodynamique bénéficie d’aides à l’installation significatives. La plus importante est MaprimeRénov’ décarbonationPour l’installation d’une PAC, elle varie de 3 000 à 11 100 €. D’autres aides existent, comme la prime Coup de pouce chauffage. Vous pouvez aussi solliciter l’écoprêt à taux zéro.

Conceptualisée en 1850, la thermodynamique étudie les rapports entre les mouvements, la chaleur et le travail. Dans ses différentes applications, elle génère d’importantes économies d’énergie et n’émet ni CO₂ ni particules fines. Phénomène extraordinaire, elle trouve dans les pompes à chaleur et les chauffe-eau thermodynamiques ses plus belles illustrations. De plus, des aides publiques et privées favorisent leur installation.

Le temps l’énergie n’était pas un sujet brûlant est révolu. Désormais, les particuliers ont pris conscience que c’est une denrée rare, à utiliser avec parcimonie. Pour approfondir votre maîtrise du chauffage domestique, n’hésitez pas à consulter les articles suivants :