Théorie de base

Le Soleil est une étoile distante de 150 millions de km de la terre. Il est constitué d'environ 85% d'hydrogène et de 15% d'hélium. Sa température interne est de 15 à 20 millions de degrés Celsius. Ce flot continu de chaleur provient d'une fusion nucléaire qui transforme l'hydrogène en hélium. À chaque heure, le soleil consomme 10 milliards de tonnes d'hydrogène. L'énergie libérée dans les profondeurs du Soleil rayonne ensuite dans l'espace sous forme de lumière et de chaleur principalement.

Les capteurs solaires

Ils existe actuellement deux types de capteurs solaires, soit ceux qui convertissent en électricité le rayonnement du soleil et ceux qui convertissent le rayonnement du soleil en chaleur.  Malheureusement, ceux qui convertissent le rayonnement solaire en électricité sont très dispendieux et procurent un faible rendement.

Les capteurs solaires présentés dans la vidéocassette sont du type qui convertissent le rayonnement solaire en chaleur.  C'est cette chaleur qui sera utilisée pour réchauffer votre piscine.

On a tous déjà  remarqué qu’un objet de couleur foncée exposé au soleil s’échauffe.  L’explication est simple : tout objet de couleur foncée converti le rayonnement solaire en chaleur, laquelle se dissipe à son tour dans l’atmosphère.  Une surface noire constitue ainsi le capteur solaire le plus simple qui soit.   

Une surface parfaitement noire exposée au soleil convertira donc le rayonnement solaire en énergie calorifique, c’est-à-dire en énergie de chaleur. L’énergie ainsi convertie sera de l’ordre d’environ 1000 watts par mètre carré, par beau jour.

Thermodynamique

Les corps sont composés d’atomes et de molécules constamment en mouvement.  Le mouvement de ces particules engendre une énergie interne que l’on nomme énergie thermique.  La température est une mesure qui nous renseigne sur l’intensité du mouvement des molécules d’un corps.  Plus la température d’un corps est élevée, plus l’agitation de ses molécules est élevée.

La chaleur se définit comme étant un transfert d’énergie thermique.  Lorsque l’on chauffe un corps, on effectue un transfert d’énergie thermique du corps chauffant au corps chauffé, c’est-à-dire qu’on lui donne de la chaleur.  L’énergie thermique et la chaleur s’expriment en joule (j) et son symbole est la lettre Q.

Les corps n’absorbent pas tous la chaleur de la même manière.  Selon leur nature et leur masse, ils s’échauffent ou se refroidissent à des rythmes différents.  On a donc introduit la notion de chaleur massique.  La chaleur massique d’une substance est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1 kg de cette substance pour augmenter sa température de 1 kelvin.  On représente la chaleur massique par la lettre C.  La chaleur massique de l’eau par exemple est de 4186.8.  En effet, il faut fournir 4186.8 joules d’énergie à 1 kg d’eau pour augmenter sa température de 1° Celsius ou de 1° kelvin.

Chaleur massique de quelques substances

On remarque que l’eau possède une chaleur massique très élevée.  C’est pourquoi il est si difficile de chauffer l’eau d’une piscine, d’où l’importance d’utiliser un système de chauffe-eau pour piscine puissant afin d’augmenter la température de l'eau de façon significative.

Lorsqu'un corps chaud est mis en contact avec un corps froid, il se produit spontanément un transfert de chaleur du corps chaud vers le corps froid jusqu'à ce que l’ensemble atteigne une température d’équilibre.  On dit alors que le système est en équilibre thermique.  Cette notion est à la base même du chauffe-eau solaire pour piscine présenté dans ce document.  On représente la relation entre la chaleur et la température par l’équation suivante :

Q = mcDt,  ou :           

• Q est la quantité de chaleur en joules

• m = 1kg  (car 1 litre d’eau pèse 1kg)  

• c  = 4186j/kg.C  

• Dt = différence de température = 100°C - 20°C = 80°C

• Q = 1kg X 4186j/kg.C X 80°C

• Q = 334944 joules ou 335 kj

Le problème précédent aurait pu être résolu différemment si l’on avait connu la notion de calorie. 

On définit la calorie comme étant la quantité d’énergie requise afin d’augmenter la température de 1 cm³ (1 ml) d’eau de 1 degré Celsius.  

On aurait alors pu résoudre le problème comme suit :

Puisqu’il faut une calorie pour augmenter 1cm³ d’eau de 1°C, il faut 1000 calories pour augmenter 1kg d’eau (1000cm³) de 1°C et donc 80000 calories ( 80 x 1000) pour augmenter 1kg d’eau de 80°C.  Puisque 1 calorie = 4.1868 joules, on trouve que 80000 calories X 4.1868 = 334944 joules ou 335 kj.

Renseignements techniques divers

Voici un autre exemple :  une bouilloire pour le café contient 1 litre d’eau.  Sachant que l’élément électrique chauffant est d’une puissance de 1500 watts, calculons pendant combien de temps la bouilloire devra être connectée si l’on veut faire passer l’eau de 15°C à 80°C.

1. 1500 watts = 1500 j/s = 358 calories / seconde  (1500/4.186)  

2. Différence de température (Dt) = 80-15 = 65° C

3. 1 litre = 1000 ml = 1000 cm³

4. Augmenter 1000 ml de 1° C requière 1000 calories.  

5. Augmenter 1000 ml de 65° C requière 65000 calorie.

6. 65000 calories / 358 calories par seconde =  181 secondes ou 3 minutes !

• qu'à la surface de la terre, la puissance du rayonnement solaire est d'un peu plus de 1000 watts par mètre carré;
• qu'un objet de couleur noire converti le rayonnement en chaleur;
• que l'eau est une substance très difficile à chauffer;
• et finalement, que pour chauffer l'eau d'une piscine, il faut une grande source d'énergie.