Comment fonctionne un réfrigérateur ? Et la climatisation des maisons et des voitures, par la même occasion ?
"Produire du froid" dans un frigo, une voiture ou une maison revient à la même chose : évacuer de la chaleur de l'endroit que l'on veut refroidir vers un endroit qu'il nous importe peu de réchauffer...
C'est parti pour un petit tour au pays des machines thermiques !

Principe général

Dans tous ces appareils qui "jouent" avec le froid et chaud, un moteur fait circuler un liquide dans un tuyau qui passe à l'intérieur puis à l'extérieur de l'enceinte froide.

Ce liquide subit continuellement des transformations : on le force à devenir gazeux (à s'évaporer) puis à devenir liquide (à se liquifier) puis à s'évaporer à nouveau,etc...

A l'intérieur, il zigzague pour y récupérer de la chaleur dont il se débarasse ensuite, à l'extérieur, en zigzagant derrière le frigo (la grille accélère l'évacuation de la chaleur du tuyau).

Pourquoi et comment ça fonctionne ...

Quand il arrive à l'intérieur du compartiment froid, on force le liquide frigorigène à s'évaporer. Or, pour s'évaporer, tout liquide a besoin de chaleur.

Et c'est ce qui se passe quand vous mettez de l'eau sur votre peau !
Pour s'évaporer, l'eau doit passer de l'état liquide à l'état gazeux (ce qui est la définition même de l'évaporation).
Il lui faut donc trouver l'énergie nécesaire pour cela (que l'on appelle chaleur latente)... et c'est à votre corps qu'elle la prend. Votre peau s'assèche et vous ressentez du froid : ce froid c'est l'énergie que l'eau vous a prise pour s'évaporer.
D'ailleurs, votre corps utilise naturellement ce phénomène pour vous refroidir, en produisant de la sueur.

Dans les appareils de refroidissement, c'est exactement ce principe qui est utilisé : on force le liquide à s'évaporer pour qu'il absorbe de la chaleur (et fasse ainsi baisser la température) autour de lui. Cela se passe donc au moment où il circule dans l'enceinte à refroidir.

Puis, le liquide, sous forme gazeuse, poursuit sa route et sort de la "partie froide".

Il arrive à l'arrière de l'appareil, où on le force à devenir liquide.
En passant de l'état gazeux à l'état liquide, il restitue la chaleur qu'il avait absorbé lors de sa précédente transformation.

Vous pouvez tester (avec prudence) : l'arrière d'un frigo est très chaud.

Passer de la chaleur d'un endroit à un autre

Le réfrigérateur est une pompe à chaleur chargée de transporter de la chaleur d'un endroit vers un autre.
Forcément, en refroidissant un endroit (l'intérieur du frigo), on en réchauffe un autre (l'extérieur)...

Selon l'enceinte que l'on refroidit (armoire isolée, pièce d'habitation ou habitacle de voiture) et l'emplacement du circuit "chaud" du dispositif, la pompe à chaleur s'appelle réfrigérateur, climatiseur ou climatisation de voiture...

Mais il s'agit strictement du même principe !

Le point commun à ces différentes machines : le cycle de Carnot

Comme on fait subir au liquide des changements qui le ramènent toujours dans le même état avant de recommencer une nouvelle série de changements, on appelle cette série de modifications un cycle.

Il y a plusieurs façons de faire subir un cycle à un produit.

Le cycle d'évaporation-liquéfaction du liquide de refroidissement utilisé dans les réfrigérateurs s'appelle un cycle de Carnot.

A -> B : le détendeur diminue la pression du frigorigène (liquide).
B -> C : l'évaporateur fait passer le frigorigène de l'état liquide à l'état gazeux en absorbant de la chaleur (il est donc placé dans l’enceinte à refroidir).
C -> D : le compresseur aspire le frigorigène gazeux et augmente sa pression.
D -> A : le condenseur fait passer le frigorigène de l'état gazeux à l'état liquide en évacuant de la chaleur.

Des liquides pour refroidir mieux

On pourrait utiliser n'importe quel liquide dans le circuit d'un réfrigérateur... Mais l'eau ne serait pas assez efficace.
On utilise donc un fluide que l'on dit "frigorigène" ou "réfrigérant" : il est capable de produire du froid très efficacement car il a besoin d'un maximum de chaleur pour s'évaporer (il "pompe" donc plus d'énergie à l'intérieur du frigo et refroidit mieux).

On a longtemps utilisé pour cela des composés fluoro-chlorés (CFC, Chloro-Fluoro-Carbone) dans ces systèmes de refroidissement, mais ils sont maintenant strictement interdits car ils sont très néfastes pour la couche d'ozone.
Les HFC (Hydro Fluoro Carbones) seront bientôt interdits aussi, pour la même raison, mais les produits utilisables et moins nocifs ne manquent pas.

voir la page
L'ozone dans l'air, finalement, il y en a trop ou pas assez ?

Selon les constructeurs, les fluides frigorigènes sont plus ou moins efficaces, les détendeurs et compresseurs sont plus ou moins performants, les enceintes sont plus ou moins bien isolées.

Tout ceci se traduit par une consommation d'électricité plus ou moins élevée, indiquée sur l'étiquette de consommation qui est devenue obligatoire sur les appareils de froid (réfrigérateurs, congélateurs, combinés) en Europe depuis 1995.
Mais, la consommation de votre réfrigérateur ou congélateur dépend aussi de vous : réflechissez avant d'ouvrir la porte, ne les laissez pas ouvert trop longtemps, n'y mettez pas de plat encore chaud ou tiède et dégivrez-les régulièrement !

Peut-on refroidir la cuisine en ouvrant la porte du réfrigérateur ?

Non, bien sûr ! Non seulement la chaleur prise à l'intérieur est restituée à l'extérieur (donc à l'arrière du frigo, dans la cuisine...)... et, en plus, le moteur du frigo chauffe et cette chaleur s'évacue dans la pièce.

Globalement, un réfrigérateur chauffe plus qu'il ne refroidit : son "seul" intérêt est d'obtenir une température plus basse, dans un endroit fermé.

Voilà qui nous amène à réfléchir à un produit très courant : les mini-climatiseurs mobiles qui se placent dans la pièce à refroidir.

Eux aussi, comme les réfrigérateurs, ne font que réchauffer la pièce où ils sont installés... car il n'y a pas de miracle : ils doivent bien évacuer la chaleur prélevée du côté froid et la chaleur de leur moteur.

Sans évacuation de chaleur vers l'extérieur, ce ne sont en fait que des ventilateurs "améliorés" puisque l'air qu'ils soufflent est effectivement refroidi.
Mais, exactement comme un ventilateur de base, ils n'apportent qu'une impression de froid si on se place dans la zone où l'air soufflé est perceptible, donc quand on est placé juste devant.
Hors de cette zone, la pièce s'échauffe au fil des heures ...

Pour que le remède ne soit pas pire que le mal et pour éviter des dépenses d'électricité inutiles, il est donc préférable de les éteindre dès qu'on s'en éloigne !

Les climatiseurs double-bloc eux ont deux unités reliées, l'une soufflant de l'air froid dans la pièce et l'autre soufflant de l'air chaud dans une autre pièce ou à l'extérieur de la maison.
Ils ne présentent donc pas ce problème de réchauffement "à l'intérieur" (qu'il ne font effectivement que refroidir) mais globalement ils chauffent aussi.

Et l'air chaud soufflé hors de la maison, ce n'est pas très décoratif !