Qu’est-ce que l’absorption de chaleur – Définition

Absorption de chaleur. L’énergie thermique peut également être très efficacement absorbée et stockée. Trois méthodes sont utilisées et sont encore à l’étude pour stocker l’énergie thermique. Génie thermique

Absorption thermique

Energie microscopique - Energie interneEn thermodynamique , l’énergie interne (également appelée énergie thermique ) est définie comme l’énergie associée aux formes d’énergie microscopiques . C’est une quantité considérable , cela dépend de la taille du système ou de la quantité de substance qu’il contient. L’unité SI de l’énergie interne est le joule (J) . C’est l’énergie contenue dans le système, à l’exclusion de l’énergie cinétique de mouvement du système dans son ensemble et de l’énergie potentielle du système. Les formes d’énergie microscopiques incluent celles dues à la rotation , à la vibration, à la translation et aux interactionsparmi les molécules d’une substance. Aucune de ces formes d’énergie ne peut être mesurée ou évaluée directement, mais des techniques ont été développées pour évaluer l’évolution de la somme totale de toutes ces formes d’énergie microscopiques.

Absorption thermique

De plus, l’énergie peut être stockée dans les liaisons chimiques entre les atomes qui composent les molécules. Ce stockage d’énergie au niveau atomique inclut l’énergie associée aux états orbitaux des électrons, au spin nucléaire et aux forces de liaison dans le noyau.

Centrale solaire PS10 en Espagne. Source: wikipedia.org Licence: CC BY 2.0
Centrale solaire PS10 en Espagne. Source: wikipedia.org Licence: CC BY 2.0

L’énergie thermique peut également être très efficacement absorbée et stockée. Aujourd’hui, la situation sur les marchés de l’énergie est différente. L’augmentation des prix des sources d’énergie conventionnelles et la prise de conscience environnementale ont conduit à augmenter l’utilisation des énergies renouvelables et l’efficacité énergétique. Le stockage de l’énergie thermique constitue un élément clé d’une centrale électrique pour améliorer sa possibilité de répartition, en particulier pour les centrales solaires à concentration (CSP). Le stockage de l’énergie thermique (TES) est réalisé avec des technologies très différentes. Trois méthodes sont utilisées et sont encore à l’étude pour stocker l’énergie thermique.

  • Accumulation de chaleur sensible (SHS)
  • Accumulation de chaleur latente (LHS)
  • Stockage thermochimique

Absorption en chaleur sensible

Le moyen le plus direct est le stockage de la chaleur sensible . Le stockage de chaleur sensible est basé sur l’augmentation de la température d’un liquide ou d’un solide pour stocker la chaleur et sa libération avec la diminution de la température lorsque cela est nécessaire. Les volumes nécessaires pour stocker l’énergie à l’échelle dont le monde a besoin sont extrêmement importants. Les matériaux utilisés dans le stockage de chaleur sensible doivent avoir une capacité thermique élevée et également un point d’ébullition ou de fusion élevé. Bien que cette méthode de stockage de chaleur soit actuellement moins efficace pour le stockage de chaleur, elle est moins compliquée par rapport à la chaleur latente ou chimique et elle est peu coûteuse.

Du point de vue thermodynamique, le stockage de la chaleur sensible est basé sur l’augmentation de l’ enthalpie du matériau dans le magasin, soit un liquide soit un solide dans la plupart des cas. L’effet sensible est un changement de température. La chaleur stockée peut être obtenue par l’équation:

stockage de chaleur sensible - équation

Absorption en chaleur latente

Une approche courante du stockage d’énergie thermique consiste à utiliser des matériaux appelés matériaux à changement de phase (PCM). Ces matériaux stockent de la chaleur lorsqu’ils subissent un changement de phase , par exemple du solide au liquide, du liquide au gaz ou du solide au solide (passage d’une forme cristalline à une autre sans changement de phase physique).

Le changement de phase « solide-liquide » est le plus utilisé, mais le changement solide-solide est également intéressant. Ces matériaux peuvent être utilisés comme un moyen efficace de stockage d’ énergie thermique (énergie solaire, électricité hors pointe, chaleur industrielle perdue). Par rapport aux systèmes de stockage de chaleur sensible, le stockage de chaleur latente présente les avantages d’une densité de stockage élevée (due à une chaleur latente de fusion élevée ) et de la nature isotherme du processus de stockage. La chaleur de fusion ou la chaleur d’évaporation est bien supérieure à la capacité thermique spécifique. La comparaison entre le stockage de chaleur latente et le stockage de chaleur sensible montre que dans le stockage de chaleur latente, les densités de stockage sont généralement 5 à 10 fois plus élevées.

En général, les effets de la chaleur latente associés au changement de phase sont importants. La chaleur latente , également connue sous le nom d’ enthalpie de vaporisation (changement de phase liquide-vapeur) ou d’enthalpie de fusion (changement de phase solide-liquide), est la quantité de chaleur ajoutée ou retirée d’une substance pour produire un changement dans phase. Cette énergie décompose les forces d’attraction intermoléculaires, et doit également fournir l’énergie nécessaire à l’expansion de la substance (le travail pΔV ). Lorsque de la chaleur latente est ajoutée, aucun changement de température ne se produit.

Absorption dans l’énergie chimique

L’une des trois approches possibles du stockage d’énergie thermique consiste à utiliser des réactions thermochimiques réversibles . L’avantage le plus important de la méthode de stockage thermochimique est que l’ enthalpie de réaction est considérablement plus grande que la chaleur spécifique ou la chaleur de fusion. La densité de stockage est donc bien meilleure. Dans les réactions chimiques , l’énergie est stockée dans les liaisons chimiques entre les atomes qui composent les molécules. Stockage d’Energieau niveau atomique comprend l’énergie associée aux états orbitaux des électrons. Qu’une réaction chimique absorbe ou libère de l’énergie, il n’y a pas de changement global de la quantité d’énergie pendant la réaction. C’est à cause de la loi de conservation de l’énergie , qui stipule que:

L’énergie ne peut pas être créée ou détruite L’énergie peut changer de forme lors d’une réaction chimique .

Un exemple de système de stockage expérimental basé sur l’énergie de réaction chimique est la technologie des hydrates de sel . Le système est particulièrement avantageux pour le stockage saisonnier d’ énergie thermique . Le système utilise l’énergie de réaction créée lorsque les sels sont hydratés ou déshydratés. Il fonctionne en stockant la chaleur dans un récipient contenant une solution d’hydroxyde de sodium à 50% (NaOH). La chaleur (provenant par exemple d’un capteur solaire) est stockée en évaporant l’eau lors d’une réaction endothermique. Lorsque de l’eau est à nouveau ajoutée, la chaleur est libérée dans une réaction exothermique à 50 ° C. Les systèmes actuels fonctionnent à 60% d’efficacité.

Absorption de chaleur rayonnante

émissivité de divers matériauxDans les chapitres précédents, nous avons discuté de la  convection  et de la  conduction , qui nécessitent la présence de matière comme milieu pour transporter la chaleur de la région la plus chaude à la région la plus froide. Mais un troisième type de transfert de chaleur,  le transfert de chaleur par rayonnement , se produit sans aucun support. En général, le  transfert de chaleur par rayonnement d’une surface à une autre est le rayonnement quittant la première surface pour l’autre moins celui arrivant de la deuxième surface. Le transfert de chaleur  par rayonnement est médié par  le rayonnement électromagnétique , connu sous le nom  de rayonnement thermique , qui se produit en raison de la  température  d’un corps.

Une autre propriété de rayonnement importante d’une surface est son pouvoir  absorbant ,  α , qui est la fraction de l’énergie de rayonnement incidente sur une surface qui est absorbée par la surface. Comme l’émissivité, la valeur d’absorptivité est comprise entre 0 <α <1.

De par sa définition, un  corps noir , qui est un corps physique idéalisé, absorbe tous les rayonnements électromagnétiques incidents  , indépendamment de la fréquence ou de l’angle d’incidence. Autrement dit, un corps noir est un absorbeur parfait. Étant donné que pour les objets réels, l’  absorptivité  est inférieure à l’unité, un objet réel ne peut pas absorber toute la lumière incidente. L’absorption incomplète peut être due à une partie de la lumière incidente transmise à travers le corps ou à une partie réfléchie à la surface du corps.

En général, l’  absorptivité  et l’  émissivité  sont interconnectées par la  loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique , qui stipule:

Pour un corps arbitraire émettant et absorbant un rayonnement thermique en équilibre thermodynamique, l’émissivité est égale à l’absorptivité.

émissivité ε = absorptivité α

Notez que le rayonnement visible occupe une bande très étroite du spectre de 0,4 à 0,76 nm, nous ne pouvons pas porter de jugement sur la noirceur d’une surface sur la base d’observations visuelles. Par exemple, considérons le papier blanc qui réfléchit la lumière visible et apparaît donc blanc. En revanche, il est essentiellement noir pour le rayonnement infrarouge ( absorptivité α = 0,94 ) car ils absorbent fortement le rayonnement à grande longueur d’onde.

 

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