MERI-LL
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Les différentes formes d’énergie
En pratique, on distingue différentes formes d’énergie. Cependant, cette distinction ne sert qu’à la faire correspondre au phénomène qu’elle mesure, et dépend uniquement de l’observateur. Faisons, toutefois, un tour d’horizon sur les formes d’énergie classiquement considérées.
Energie cinétique
C’est l’énergie associée au mouvement d’un corps ou d’une particule. Elle est proportionnelle à la masse et au carré de la vitesse de l’objet en question. De ce fait, on peut également considérer comme de l’énergie cinétique l’énergie électromagnétique transportée par des photons ou l’énergie électrique transportée par des particules chargées.
En d’autres termes, l’énergie cinétique est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail nécessaire pour faire passer le corps en question du repos à son mouvement actuel.
En mécanique classique, l’énergie cinétique s’exprime par : = 1 2 (1.3)
Energie thermique (ou chaleur)
A l’échelle atomique, la chaleur se traduit par un mouvement désordonné et plus ou moins rapide des molécules. Et à l’échelle macroscopique, elle constitue la forme d’énergie mise en jeu lorsque la température varie ou lors d’un changement d’état de la matière.
L’énergie thermique est l’énergie cinétique d’un objet qui est donnée par une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes.
Généralité sur la conversion d’énergie
L’énergie peut se transmettre d’un système à un autre. Elle peut aussi se transformer en changeant de nature.
On entend souvent le terme production d’énergie, mais il ne s’agit que d’un abus de langage. En réalité, on ne peut pas produire de l’énergie, on ne peut que transformer une forme d’énergie en une autre. Cette transformation s’accompagne toujours d’un dégagement de chaleur qu’on appelle perte.
On définit la perte comme étant l’autre forme d’énergie que celle qu’on a voulu, résultant d’une transformation. Prenons un exemple : lorsqu’on alimente un circuit électrique, on a toujours un échauffement au niveau des conducteurs électrique (il s’agit de la perte par effet Joule).
On ne peut pas transformer intégralement une forme d’énergie en une autre, sauf dans le cas où la forme d’énergie voulue est l’énergie thermique.
On entend souvent le terme production d’énergie, mais il ne s’agit que d’un abus de langage. En réalité, on ne peut pas produire de l’énergie, on ne peut que transformer une forme d’énergie en une autre. Cette transformation s’accompagne toujours d’un dégagement de chaleur qu’on appelle perte.
On définit la perte comme étant l’autre forme d’énergie que celle qu’on a voulu, résultant d’une transformation. Prenons un exemple : lorsqu’on alimente un circuit électrique, on a toujours un échauffement au niveau des conducteurs électrique (il s’agit de la perte par effet Joule).
On ne peut pas transformer intégralement une forme d’énergie en une autre, sauf dans le cas où la forme d’énergie voulue est l’énergie thermique.
Les différents types d’énergie, leurs sources et leurs transformations
Puisqu’on a déjà présenté précédemment les différentes formes d’énergie, on va directement citer les sources possibles du type d’énergie en question et de leur transformation possible.
Energie rayonnante
Ce type d’énergie peut provenir par exemple du soleil, d’une lampe à incandescence, ou encore, des diodes électroluminescentes (« Light Emitting Diode » : LED). On peut la transformer :
– en énergie électrique (à l’aide des cellules photovoltaïques) ;
– en énergie thermique (à l’aide des fours solaires) ;
– en énergie chimique (grâce à la photosynthèse).
– en énergie électrique (à l’aide des cellules photovoltaïques) ;
– en énergie thermique (à l’aide des fours solaires) ;
– en énergie chimique (grâce à la photosynthèse).
Energie électrique
C’est, de loin, la forme d’énergie la plus utilisé comme source d’énergie à transformer. Elle peut provenir des cellules photovoltaïques, des accumulateurs, des générateurs piézoélectriques, ou encore des générateurs thermoélectriques. On peut la transformer :
– en énergie mécanique (moteurs électriques) ;
– en énergie rayonnante (LED) ;
– en énergie chimique (électrolyse) ;
– en énergie thermique (résistances électriques).
– en énergie mécanique (moteurs électriques) ;
– en énergie rayonnante (LED) ;
– en énergie chimique (électrolyse) ;
– en énergie thermique (résistances électriques).
Energie chimique
Elle peut provenir de la photosynthèse, de l’électrolyse, ou des énergies fossiles.
On peut la transformer :
– en énergie mécanique (explosions) ;
– en énergie électrique (accumulateurs) ;
– en énergie thermique (combustion) ;
– en énergie rayonnante (chimioluminescence).
On peut la transformer :
– en énergie mécanique (explosions) ;
– en énergie électrique (accumulateurs) ;
– en énergie thermique (combustion) ;
– en énergie rayonnante (chimioluminescence).
Energie mécanique
Elle peut provenir des moteurs électriques, des moteurs thermiques, des explosions chimiques, ou encore des turbines hydrauliques et éoliennes. On peut la transformer :
– en énergie hydraulique (pompes) ;
– en énergie électrique (générateurs électriques) ;
– en énergie thermique (frottements).
– en énergie hydraulique (pompes) ;
– en énergie électrique (générateurs électriques) ;
– en énergie thermique (frottements).
Energie hydraulique et éolienne
Elle peut provenir des pompes mécaniques, de l’eau ou du vent.
On peut la transformer en énergie mécanique à l’aide des turbines hydrauliques et éoliennes.
On peut la transformer en énergie mécanique à l’aide des turbines hydrauliques et éoliennes.
Energie nucléaire
Elle provient des matières fissiles.
On peut la transformer :
– en énergie rayonnante (réacteur nucléaire) ;
– en énergie thermique (réacteur nucléaire) ;
– en énergie mécanique (explosion nucléaire).
On peut la transformer :
– en énergie rayonnante (réacteur nucléaire) ;
– en énergie thermique (réacteur nucléaire) ;
– en énergie mécanique (explosion nucléaire).
Energie thermique
L’énergie thermique est la forme d’énergie la plus facile à trouver du fait que tout travail est accompagné d’un dégagement de chaleur. Elle peut provenir des résistances électriques, d’une combustion chimique, de la géothermie, des capteurs solaires, des frottement mécaniques ou bien des réacteurs nucléaires.
On peut la transformer :
– en énergie mécanique (moteurs thermiques) ;
– en énergie électrique (générateurs thermoélectriques) ;
– en énergie rayonnante (lampes à incandescence) ;
– en énergie chimique (thermolyse).
On peut la transformer :
– en énergie mécanique (moteurs thermiques) ;
– en énergie électrique (générateurs thermoélectriques) ;
– en énergie rayonnante (lampes à incandescence) ;
– en énergie chimique (thermolyse).
Notion de système
La thermodynamique, comme toute autre branche de la physique, met en cause dans ses principes des propriétés attachées à la matière et leur évolution au cours du temps. Ceci s’appliquant à n’importe quel système matériel il convient alors de le situer. Il est primordial de préciser deux régions pour la description thermodynamique d’un système : le système étudié et ce qui lui est extérieur (son environnement). On définit alors la frontière surface fermée de l’espace et la nature des échanges entre le système et son environnement au travers de cette frontière. Ainsi, les systèmes thermodynamiques sont classés en trois catégories que distinguent les échanges avec l’extérieur :
– les systèmes isolés n’échangent ni matière ni aucune forme d’énergie ;
– les systèmes fermés échangent de l’énergie, mais pas de matière ;
– les systèmes ouverts échangent matière et énergie.
Notion de température
La notion de température est une notion très subjective. Elle dérive des sensations de froid et de chaud donné par le toucher. D’où la nécessité de définir une grandeur, la température, dont l’évolution produit différents phénomènes tels que des variations de longueur ou de volume. La température est une grandeur repérable et non mesurable.[5] On repère alors la température en mesurant l’effet produit par sa variation sur le corps étudié, c’est le principe du thermomètre : la variation de la hauteur de mercure est reliée à la variation de température correspondante. Le thermomètre ainsi formé doit permettre de repérer la température d’autres corps. Ceci est possible grâce à la notion fondamentale d’équilibre thermique.
Lorsque l’on place deux objets, l’un chaud et l’autre froid, dans une enceinte qui n’a pas d’échange avec le milieu extérieur, le corps chaud se refroidit tandis que le corps froid se réchauffe et ce jusqu’à un état d’équilibre pour lequel les températures des deux corps s’égalisent. Il s’agit du principe zéro de la thermodynamique.[1] Les températures des deux corps n’étant pas égales, un flux de chaleur apparaît et persiste jusqu’au moment où le système atteint l’équilibre thermique.
Chaleur spécifique
L’équilibre thermique établit entre deux corps de températures différentes est dû à un échange de chaleur entre ces deux corps. On constate que la température finale dépend non seulement des températures initiales mais aussi de la masse des deux corps en contact ainsi que de leur nature. Des études expérimentales de la mise en équilibre thermique de deux corps de masse 1 et 2 et de natures différentes ont montré que la température d’équilibre de l’ensemble n’est pas la moyenne de leurs températures initiales 1 et 2, même s’ils ont la même masse. On constate que tout se passe comme si chaque corps disposait au départ d’un capital thermique qui, rapporté à sa masse, était proportionnel à sa température.[5]
Les coefficients de proportionnalités 1 et 2 dépendent de la nature du corps. Comme la chaleur perdue par le corps chaud est gagnée par le corps froid on obtient la température d’équilibre :
= 1 1 1 + 222 (1.23)
De manière plus générale, on exprime la quantité de chaleur absorbée ou cédée par un corps de masse dont la température varie de par : = (1.24)
La chaleur spécifique caractérise la nature du corps. C’est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à l’unité de masse pour élever sa température de 1 . La chaleur spécifique s’exprime donc en –1 –1. Le produit est appelé capacité calorifique et s’exprime en –1.
Transfert thermique
Ici on va s’intéresser à la cinétique qui fait que les deux corps mis en présence dans l’enceinte isolée, et qui nous ont permis d’illustrer la notion d’équilibre thermique, échangent de la chaleur jusqu’à la disparition de la différence de température initiale.
Les échanges thermiques sont de trois types et sont décrits par des lois phénoménologiques.
Conduction
La conduction résulte de « chocs » à l’échelle moléculaire et atomique. Elle va donc être très liée à la structure et à l’organisation du matériau. Elle peut avoir lieu dans les solides et dans une moindre mesure dans les fluides, plus dans les liquides que dans les gaz. C’est un phénomène très analogue à la conduction de l’électricité. Il s’agit d’un transfert d’énergie à petite échelle, dans un corps localement au repos. On parlera de conducteur ou d’isolant thermique. Elle est décrite par la loi de Fourier.
Convection
C’est un transfert qui résulte d’un mouvement d’ensemble du matériau le supportant. La convection a donc lieu dans les fluides (gaz ou liquides). Elle est souvent caractéristique de l’échange à la frontière entre un solide et un fluide et est donc très liée à l’écoulement des fluides mais aussi aux géométries d’échange et aux états de surface si un solide intervient. Il convient de distinguer la convection forcée dans laquelle le fluide est mis en mouvement par un apport d’énergie mécanique extérieur (pompe, ventilateur, etc.) de la convection naturelle dans laquelle le fluide prend, en son sein, l’énergie nécessaire au mouvement (comme la variation de la masse volumique associée à une variation de température). De façon macroscopique elle est décrite par la loi de Newton.
Rayonnement
La matière émet des ondes électromagnétiques (émission qui se produit en surface pour les solides et les liquides opaques, dans tout le volume pour les gaz ou liquides transparents). Ces ondes dépendent de la température. Il s’agit d’une onde électromagnétique, et donc, qui ne nécessite aucun support matériel pour se propager. Outre le rayonnement thermique dont la bande de longueur d’onde va de l’ultraviolet à l’infrarouge, le thermicien peut s’intéresser à des ondes comme les micro-ondes et leur génération dans le volume. Ce mode de transfert est décrit par la loi de Stefan.
Principes de la thermoélectricité
Généralité
Bref historique
Les phénomènes thermoélectriques ont été découverts au début du 19ème siècle, en 1821, par Thomas J. Seebeck, qui a observé la déviation d’une aiguille de boussole en conservant les deux jonctions de différents métaux à des températures différentes. Cet effet illustre le couplage de deux potentielles thermodynamiques, le potentiel électrochimique et la température. Peu de temps après, en 1834, Jean C. Peltier a découvert l’effet inverse que dans des conditions isothermes : un courant électrique peut provoquer une différence de température à la jonction. Plus tard, en 1851, William Thomson, connu sous le nom de Lord Kelvin [6], a harmonisé la théorie de la thermoélectricité avec les deux lois de la thermodynamique. En utilisant des arguments thermodynamiques, il unifia les effets de Seebeck et de Peltier en une seule expression donnant des arguments décisifs en faveur d’une description complète et compacte de tous ces phénomènes. Avec cette analyse théorique de la relation entre les deux effets, il a pu montrer qu’un troisième effet doit exister. Ce troisième effet portant son nom est l’absorption ou la génération de chaleur le long d’un conducteur transportant le courant sous un gradient thermique.
Description
La thermoélectricité est le phénomène dans lequel une différence de température génère de l’électricité, ou vice versa. Les effets thermoélectriques peuvent être utilisés pour générer de l’électricité, pour mesurer une température, ou pour refroidir ou chauffer un objet.
Les effets thermoélectriques ont été connus depuis la découverte de l’effet Seebeck et celle de l’effet Peltier dans les années 1800. L’effet Seebeck est le phénomène de génération d’une tension causée par un gradient de température, dans un conducteur ou un semiconducteur. C’est la base des thermocouples. Il peut aussi être appliqué à la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique. Le phénomène inverse dans lequel une énergie électrique provoque un refroidissement ou un pompage de chaleur à la jonction de deux matériaux différents est l’effe Peltier. L’effet Thomson est le phénomène dans lequel il y a réchauffement ou refroidissement d’un conducteur transportant un courant électrique et où règne un gradient de température.
Comme les gradients de température sont essentiels pour la thermoélectricité, les conditions de base requises pour les matériaux thermoélectriques sont : (i) une bonne conductivité électrique, et (ii) une mauvaise conductivité thermique.
Une différence de température provoque une diffusion de porteurs de charge (électrons ou trous) du côté chaud vers le côté froid (comme l’expansion d’un gaz qu’on chauffe). Une charge mobile qui se déplace vers le côté froid, laisse derrière elle (du côté chaud) un ion immobile de charge opposée. Ce qui résulte en une tension thermoélectrique. Mais comme une séparation de charges crée aussi un champ électrique, l’accumulation de porteurs de charge du côté froid cesse éventuellement à l’équilibre. Ceci, car il y a une même quantité de porteurs qui sont dirigés vers le côté chaud par le champ électrique. La tension thermoélectrique n’augmente qu’avec l’augmentation du gradient de température.
Le rendement maximum d’un dispositif thermoélectrique pour la génération d’électricité ou pour le refroidissement est déterminé par le paramètre exprimé par la relation : 2(2.1) où est le coefficient de Seebeck (tension générée par degré de différence de température dans un matériau), la conductivité électrique, 2 le facteur de puissance, = + la conductivité thermique, somme respectivement de la conductivité due aux phonons et de la conductivité due aux électrons.
En fait est la mesure de l’entropie moyenne transportée par une charge dans le matériau. Elle est fonction de la température du matériau et de sa structure. Un facteur de puissance 2 élevé signifie que les électrons sont plus effectifs dans la conversion d’énergie thermique en énergie électrique, tandis qu’une faible conductivité thermique est nécessaire pour maintenir le gradient de température et pour réduire la perte de chaleur par conduction.
On obtient une valeur de élevée avec un matériau possédant à la fois un coefficient de Seebeck élevé, une conductance électrique élevée mais une faible conduction thermique. Ce qui est très difficile car ces conditions requises sont souvent contradictoires pour les matériaux conventionnels.
Les métaux ont une puissance thermoélectrique faible, puisque la plupart des métaux ont leurs bandes de conduction à moitié pleine. Les électrons et les trous contribuent tous les deux à la tension thermoélectrique induite. Il y a en quelque sorte des effets opposés. Ce qui rend la tension thermoélectrique assez faible. Par contre les semiconducteurs peuvent être dopés pour obtenir des électrons ou des trous en excès, résultant en une tension thermoélectrique négative ou positive (selon le cas) assez élevée. Le signe de cette tension permet de déterminer le type de porteurs qui est dominant dans le transport de charge électrique.
Les phénomènes thermoélectriques
L’effet Seebeck
Seebeck a observé que si deux matériaux de différentes natures sont joints, comme représenté sur la Fig. 2.1, et que si les deux jonctions sont maintenues à deux températures différentes et + , une différence de potentiel apparaît. Cette tension est proportionnelle à : c’est l’effet Seebeck.
On définit alors le coefficient de Seebeck comme étant le rapport / .[7] C’est une propriété intrinsèque du matériau. L’unité pour est le −1 et sa valeur peut être positive ou négative selon le type de charges conductrices. Le coefficient de Seebeck dans les métaux et les alliages métalliques est généralement très faible, dans une gamme de quelques-uns à quelques dizaines de −1. Il est beaucoup plus gros dans les semiconducteurs, qui peuvent aller jusqu’à 1000 −1. La tension induite est calculée en utilisant : ℎ = ∫ ( ( ) − ( )) (2.2) où et sont les coefficients de Seebeck, respectivement du matériau et du matériau .
L’effet Peltier
L’effet Peltier est le phénomène dans lequel si on fait passer un courant électrique à travers la jonction de deux matériaux différents, de la chaleur sera évacuée ou absorbée, selon le sens du courant (Fig. 2.2). Ceci est dû à la différence des énergies de Fermi des deux matériaux [7].
La chaleur absorbée ou émise par la jonction est donnée par : =(Π −Π )(2.3)
où Π et Π sont les coefficients de Peltier respectivement du matériau et du matériau , et le courant qui passe dans les matériaux. Le coefficient de Peltier représente la quantité de chaleur absorbée par le matériau lors du passage du courant [8]. La quantité de chaleur doit être mesurée dans l’état isotherme, c’est-à-dire que les deux jonctions sont maintenues à la même température (à ∆ = 0). De même, le coefficient de Peltier est une quantité relative. Il est exprimé en −1, ce qui équivaut à des volts.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : Conversion d’énergie
I.1 Notions sur l’énergie
I.1.1 Définitions des termes : Travail, Puissance et Energie
I.1.2 Les différentes formes d’énergie
I.2 Généralité sur la conversion d’énergie
I.2.1 Les différents types d’énergie, leurs sources et leurs transformations
I.2.2 Rendement de conversion ou Efficacité
I.3 Energie électrique
I.3.1 Rappel sur les charges électriques
I.3.2 Phénomène de conduction électrique
I.4 Energie thermique
I.4.1 Notion de système
I.4.2 Notion de température
I.4.3 Chaleur spécifique
I.4.4 Transfert thermique
Chapitre II : Principes de la thermoélectricité
II.1 Généralité
II.1.1 Bref historique
II.1.2 Description
II.2 Les phénomènes thermoélectriques
II.2.1 L’effet Seebeck
II.2.2 L’effet Peltier
II.2.3 L’effet Thomson
II.2.4 Relation de Thomson-Kelvin
II.3 Modèles mathématiques
II.3.1 Expressions des relations générales
II.3.2 Modèle de l’effet Seebeck
Chapitre III : Les modules thermoélectriques
III.1 Synthèse des éléments thermoélectriques semiconducteurs
III.1.1 Rappel sur les semiconducteurs
III.1.2 Synthèse des matériaux thermoélectriques
III.1.3 Préparation du matériau
III.1.4 Le Tellurure de Bismuth
III.2 Module thermoélectrique
III.2.1 Configuration
III.2.2 Description d’un Thermocouple
III.2.3 Puissance de sortie et efficacité
III.2.4 Association des thermoéléments
Chapitre IV : Démonstration et Application
IV.1 Etude de la source d’énergie thermique
IV.2 Présentation du module SP1848-27145
IV.3 Démonstration de l’effet Thermoélectrique
IV.3.1 Générateur de signal PWM à base d’un NE555
IV.3.2 Démonstration de l’effet thermoélectrique
IV.4 Application
CONCLUSION
ANNEXE I : Plan de clivage
ANNEXE II : Liaison Du Type Van Der Walls
REFERENCES
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