Dominique Meeùs
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Chaleur

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Rayonnement solaire

Le rayonnement lumineux du soleil chauffe l’atmosphère et le sol les gens qui se trouvent au soleil, les maisons… On peut transformer systématiquement ce rayonnement en chaleur,

  • soit dans des panneaux de tubes à eau chaude (éventuellement par échange avec un autre fluide) ; cela sert entre autres au chauffage et à l’eau chaude sanitaire ;
  • soit dans des installations concentrant le rayonnement (si l’on reçoit un rayonnement de direction bien définie) vers un four à plus haute température ; on fait ainsi, entre autres, des centrales électriques solaire-vapeur.

(Autre chose est que le rayonnement lumineux peut arracher des électrons à certains matériaux :c’est le photovoltaïque.)

Fission nucléaire

La fission transforme un pour mille de la matière en énergie.

L’énergie obtenue est de l’ordre d’au moins dix millions de fois plus 3 par unité de masse mise en œuvre que dans le cas de la combustion.

L’énergie obtenue est l’énergie cinétique des produits de fission et des rayons gamma. Dans un réacteur, cette énergie cinétique est transformée en chaleur en excitant les molécules du fluide (eau…) remplissant le réacteur. En situation industrielle, le facteur de différence serait plutôt de l’ordre du million 4. Comme la masse transformée en énergie est, même ici, relativement petite, et que donc tout est déchet, on aurait dans la fission de l’ordre d’un million de fois moins de pollution en poids que dans la combustion.

Combustion

Il s’agit essentiellement de l’oxydation du carbone, de l’hydrogène ou de la combinaison des deux : les hydrocarbures. Ces réactions sont exothermiques. Voir par exemple Heat of combustion.

Combustion du carbone (charbon, par exemple)

La réaction est C + O₂ → CO₂

En poids atomique : 12 + 32 → 44

Quand on brûle un milliard de tonnes5 de carbone (comme du charbon)6, on produit essentiellement un peu plus de trois milliards et demi de tonnes de pollution ; en fait tout est pollution, sauf un tiers de milligramme de cette masse transformée en énergie7.

Combustion du méthane (gaz naturel, par exemple)

Combustion 8 : CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

En poids atomique : (12 + 4) + (2 × 32) → (12 + 32) + 2 × (2 + 16)

Chaque milliard de tonnes de gaz brûlé entraîne donc le rejet de 2,75 milliards de tonnes de CO₂ et de 2,25 milliards de tonnes de vapeur d’eau.

Combustion de l’hydrogène

2 H2 (gaz) + O2 (gaz) → 2 H2O (liquide) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Le mélange d’air et d’hydrogène est explosif. Très claires, les flammes sont peu visibles.

Transmission

La chaleur se communique d’un corps à un autre par rayonnement ou par contact. Un fer chauffé au rouge rayonne (on sent la chaleur à distance sur la peau) ; plongé dans l’eau, il réchauffe celle-ci. La chaleur d’un gaz (l’énergie cinétique de ses molécules agitées) se communique par contact à un corps moins chaud. Par exemple l’air de la chambre chauffée communique sa chaleur par contact à la vitre froide. La vitre froide communique cette chaleur à l’air extérieur plus froid.

Transmission forcée

La chaleur ne se communique que d’un corps plus chaud à un corps plus froid. On peut cependant tricher là-dessus en comprimant et en détendant un gaz (opération qui comporte elle-même une dépense d’énergie). C’est le principe des frigos électriques à compresseur et des pompes à chaleur. Le gaz comprimé se trouve à température plus élevée, ce qui lui permet de transmettre des calories au milieu ambiant. Détendu, il se retrouve plus froid, ce qui lui permet de recevoir des calories (du frigo ou du sous-sol).

Cuisine

On cuisine au bois dans les pays pauvres (problème de déboisement). On cuisine au gaz ou à l’électricité ailleurs. Charbon ? Il y a quelques expériences de cuisine par concentration de rayons solaires.

Chauffage

Chauffage domestique par bois, charbon, pétrole, gaz, électricité… Aussi panneaux solaires à eau chaude, ou eau très chaude par du solaire concentré.

Chauffage de grands bâtiments ou chauffage urbain par eau chaude ou vapeur récupérées de processus à température de sortie récupérable, comme les centrales thermiques.

Les Russes font du chauffage urbain nucléaire en cogénération (http://www.world-nuclear.org/info/inf45.html#Present_nuclear_capacity_ chercher « district » ou « heating »).

Dessalement

Le dessalement (desalination ou desalinisation, ontzilting) peut se faire par distillation à partir d’une source de chaleur (éventuellement en cogénération). On utilise des réacteurs nucléaires comme source de chaleur pour dessaler en Inde, au Japon, en Russie, sur les porte-avions (http://en.wikipedia.org/wiki/Desalination#Cogeneration), ainsi qu’en Californie.

Industrie

De nombreux processus demandent de la chaleur. On peut aussi utiliser des réacteurs nucléaires, comme en chauffage urbain (www.ecolo.org/documents/documents_in_english/cogeneration-nuc-csik-07.html).

Notes
3.
On trouve ce facteur de dix millions ou plus en http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission#Output. Le même article mentionne que 0,1 % de la matière est transformée en énergie. Soit 10−3, contre les 10−10 que j’ai calculés pour la combustion (voir ici note 7).
4.
Par contre, on parle d’un million (entre fission d’uranium et combustion de carbone) dans http://en.wikipedia.org/wiki/Orders_of_magnitude_%28specific_energy_density%29 (1013 contre 107) et dans http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density#Common_energy_densities (térajoules contre mégajoules). La différence est peut-être entre l’énergie réelle de fission d’un noyau et l’énergie qu’on en tire en pratique dans une réaction en chaîne contrôlée dans un réacteur industriel.
5.
Une seule centrale de 1 GW consomme deux millions et demi de tonnes par an.
6.
En tonnes, (16 +16 ) / 12 = 2,666… La tonne de charbon, avec l’oxygène comburant prélevé dans l’air, donne donc 3,666… tonnes de pollution.
7.

Dans la formation de CO2, il y a une perte (libération) d’énergie de − 393,5 kJ/mol. Ce gaz pèse 0, 04401 kg/mol, ce qui fait une perte de 8 940,15 kJ/kg. Un Joule c’est 1 kg×m²/s². La masse transformée en énergie (m = E/c²), la vitesse de la lumière étant de 299 792 458 m/s, fait 9,5 × 10−11, en gros 10−10 fois la matière mise en œuvre dans cette réaction.

Pour une tonne de charbon (assimilé à du carbone), soit 3,666… tonnes de matières, la perte de matière transformée en énergie est de 0,000 365 g, un bon tiers de milligramme . On ne peut s’empêcher de penser que c’est remuer beaucoup de tonnes pour peu de chose.

Ceci, c’est pour donner l’ordre de grandeur. Le combustible est rarement du carbone pur. La combustion du méthane (gaz naturel) est deux fois plus énergétique.

8.
Énergie : − 891 kJ/mol (http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9thane). On a plus d’énergie qu’avec le charbon et le rejet n’est pas seulement du CO₂, mais aussi de la vapeur d’eau, dont l’effet de serre est important, mais la durée de vie peut être moindre.
Dominique Meeùs. Date: 2012-…