RESUME

Principe de l'échange thermique par un gaz entre 2 plaques normales rapprochées

Les molécules de gaz vont et viennent entre les plaques, avec une vitesse correspondant à leur température. Quand une molécule atteint une plaque, elle s'adapte à la température de la plaque. Si la plaque est plus froide que la molécule, la molécule repart plus lentement, en cédant de l'énergie à la plaque sous forme de chaleur. Si la plaque est plus chaude, la molécule repart plus rapidement en prenant de l'énergie à la plaque sous forme de chaleur : c'est le principe de l'accommodation thermique.

Par conséquent, entre 2 plaques rapprochées de températures différentes, et en supposant que le gaz soit raréfié, les molécules qui vont de la plaque chaude vers la plaque froide sont plus rapides que les molécules allant de la plaque froide vers la plaque chaude. Les molécules de gaz cèdent de la chaleur à la plaque froide, et elles en prennent à la plaque chaude. Ce mécanisme d'échange provoque une égalisation progressive de la température des plaques.

Principe du procédé PACES

Supposons maintenant que l'une des 2 plaques attire les molécules de gaz. En s'approchant de cette plaque « électrostatique», les molécules sont accélérées. Disons par exemple qu'elles vont passer de 500 m/s (t° ambiante) à 600 m/s. Que se passera-t-il si les 2 plaques sont à température ambiante ?

Les molécules repartent de la plaque électrostatique à 500 m/s, après avoir cédé de la chaleur à cette plaque puisqu'elles l'ont touchée à 600 m/s. Mais comme elles sont ralenties du fait de l'attraction (qui joue dans les 2 sens), elles vont passer en gros de 500 à 400 m/s vers l'autre plaque. En touchant la plaque normale, les molécules vont lui prendre de la chaleur puisqu'elles la touchent à 400 m/s, puis elles repartiront à 500 m/s.

La plaque électrostatique va donc se réchauffer, et la plaque normale se refroidir, jusqu'au point d'équilibre où la température des plaques correspondra à la température des molécules qui la touchent.

En approchant de la plaque électrostatique, les molécules de gaz, électriquement neutres , sont attirées en pénétrant dans le champ électrique assez intense d'un condensateur. Nous verrons dans la description technique comment il est possible de produire un champ électrique seulement à la surface d'1 plaque, et non pas dans tout l'espace entre les 2 plaques.

Ce phénomène se produit lorsqu'on introduit une lame diélectrique dans un condensateur chargé : la lame est attirée vers le centre du condensateur, preuve qu'une matière électriquement neutre est attirée dans un condensateur

De même, si l'on fait couler un filet d'eau près d'une barre électriquement chargée, le filet d'eau est dévié, preuve que l'eau, pourtant électriquement neutre, est attirée par un champ électrique.

Le phénomène est connu en chimie également :

lorsqu'une molécule polaire, par exemple H2O, s'approche d'une molécule non polaire, par exemple Ar, la molécule non polaire se polarise sous l'effet du champ électrique au voisinage de la molécule polaire, d'où une force d'attraction entre les 2 molécules (force de Debye)

La molécule d'eau, avec son dipôle permanent, se comporte comme un condensateur vis à vis de la molécule d'argon.

Sur la plaque électrostatique est déposé un condensateur à couches très minces. La couche superficielle, en contact avec le gaz, est gravée de micro-trous. Cette couche superficielle gravée, que nous appellerons la grille, est chargée d'un signe, tandis que le substrat, sous une couche diélectrique très mince, est chargé de l'autre signe. C'est dans les micro-trous de la grille que réside le champ électrique intense, alors qu'il restera insignifiant dans l'espace restant entre les plaques.

Différentes configurations sont passées en revue pour créer un champ électrique à la surface de la plaque, avec chacune leurs avantages et inconvénients, et les interrogations qu'elles suscitent. La liste n'est pas exhaustive !

Il est facile de montrer qu'un tel procédé ne consomme pas nécessairement de l'énergie :

Si l'on introduit une lame diélectrique entre 2 plaques métalliques d'un condensateur chargé, la lame diélectrique est attirée dans le condensateur. Mais elle est attirée également en sortant, si bien qu'il n'y a pas, au final, de conversion d'énergie électrique en énergie mécanique. Il en est de même pour chaque molécule de gaz qui entre et qui sort des micro-trous. Les charges électriques du condensateur peuvent d'ailleurs être statiques, comme sur un électret, de la même manière que les charges électriques d'une molécule dipolaire sont statiques.

Il n'est pas nécessaire que la consommation d'énergie soit nulle pour dépasser le COP de Carnot. Même s'il existe une faible consommation électrique, liée au fonctionnement d'un organe annexe par exemple, il sera très facile de rester en deca de la consommation minimum définie par le théorème de Carnot.

Dès lors que le COP dépasse le COP de Carnot, il devient possible de refroidir l'environnement, par exemple l'eau d'une rivière ou d'un fleuve, pour produire un travail, par exemple de l'électricité.

Le principe repose sur une source chaude et une source froide, que l'on maintiendrait à température constante. Un moteur thermodynamique, par exemple une turbine, écoule des calories de la source chaude à la source froide, tandis que la pac « remonte » des calories de la source froide à la source chaude. Les calories transformées en travail doivent être prélevées dans l'environnement. Cette application est possible en raison de la très faible consommation énergétique de la pac , inférieure à la consommation minimum définie par le théorème de Carnot.

D'autres applications encore plus futuristes peuvent être envisagées, en mettant en œuvre des éléments thermoélectriques à la place de la turbine et du générateur.

3 possibilités d'expérimentation sont décrites, mais on peut en imaginer d'autres.

L'expérimentation idéale consisterait à implanter des charges statiques, comme sur un électret, de manière à pouvoir observer un très faible transfert de chaleur d'une plaque vers l'autre sans qu'il n'y ait aucune consommation électrique, donc aucun échauffement parasite.

Dans l'expérience de Joule, on laisse se détendre un gaz d'un compartiment à un autre qui est vide.

S'il s'agit d'un gaz parfait, c'est à dire sans interaction moléculaire, la température globale du système ne change pas, elle est identique avant et après.

Avec un gaz imparfait, par contre, le système se refroidit légèrement car les molécules se rencontrent moins souvent dans le gaz détendu, donc les interactions moléculaires sont moins fréquentes dans le gaz détendu, et le niveau énergétique des molécules est moins grand :

Lorsque 2 molécules dans un tel gaz s'approchent de très près, elles s'attirent mutuellement et accélèrent l'une vers l'autre, d'où un échauffement de ces molécules, c'est à dire exactement ce que l'on veut faire à la surface de la plaque électrostatique.

Les interactions sont réparties uniformément dans le gaz. On devine que si l'on pouvait augmenter ou diminuer la concentration des interactions à un endroit quelconque, on pourrait modifier la température à cet endroit. En plaçant des attracteurs artificiels à la surface d'une plaque, c'est comme si l'on augmentait la concentration des interactions à la surface de cette plaque, d'où un échauffement de la plaque.

Un document relate une tentative de modifier la vitesse de molécules neutres par un jeu d'électrodes.