Les machines ne supportent pas toujours la chaleur : deux ingénieurs expliquent comment les vagues de chaleur menacent tout, des voitures aux ordinateurs.

Feb 23, 2024

Publié par : Norhasnima Dimacaling30 août 2023

par Srinivas Garimella, Georgia Institute of Technology et Matthew T. Hughes, Massachusetts Institute of Technology (MIT), [Cet article a été publié pour la première fois dans The Conversation, republié avec autorisation]

Les gens n’ont pas seulement besoin de rester au frais, surtout lors d’un été marqué par des vagues de chaleur record. De nombreuses machines, notamment les téléphones portables, les centres de données, les voitures et les avions, deviennent moins efficaces et se dégradent plus rapidement en cas de chaleur extrême. Les machines génèrent également leur propre chaleur, ce qui peut rendre les températures autour d’elles encore plus élevées.

Nous sommes des chercheurs en ingénierie qui étudions comment les machines gèrent la chaleur et les moyens de récupérer et de réutiliser efficacement la chaleur qui serait autrement gaspillée. La chaleur extrême affecte les machines de plusieurs manières.

Aucune machine n’est parfaitement efficace – toutes les machines sont confrontées à des frictions internes pendant leur fonctionnement. Cette friction amène les machines à dissiper une partie de la chaleur, donc plus il fait chaud dehors, plus la machine sera chaude.

Les téléphones portables et appareils similaires équipés de batteries lithium-ion cessent également de fonctionner lorsqu’ils fonctionnent dans des climats supérieurs à 95 degrés Farenheit (35 degrés Celsius) – ceci afin d’éviter une surchauffe et une contrainte accrue sur l’électronique.

Les conceptions de refroidissement qui utilisent des fluides innovants à changement de phase peuvent aider à maintenir les machines au frais, mais dans la plupart des cas, la chaleur est finalement dissipée dans l'air. Ainsi, plus l’air est chaud, plus il est difficile de maintenir une machine suffisamment froide pour fonctionner efficacement.

De plus, plus les machines sont rapprochées, plus la chaleur dissipée sera importante dans les environs.

Des températures plus élevées, dues aux conditions météorologiques ou à la chaleur excessive rayonnée par les machines, peuvent provoquer la déformation des matériaux des machines. Pour comprendre cela, considérons ce que signifie la température au niveau moléculaire.

À l’échelle moléculaire, la température est une mesure de la vibration des molécules. Ainsi, plus il fait chaud, plus les molécules qui composent tout, de l’air au sol en passant par les matériaux des machines, vibrent.

Lorsque le métal est chauffé, les molécules qu’il contient vibrent plus rapidement et l’espace qui les sépare s’éloigne. Cela conduit le métal à se dilater.

À mesure que la température augmente et que les molécules vibrent davantage, l’espace moyen entre elles augmente, provoquant la dilatation de la plupart des matériaux à mesure qu’ils chauffent. Les routes en sont un exemple : le béton chaud se dilate, se resserre et finit par se fissurer. Ce phénomène peut également affecter les machines, et les contraintes thermiques ne sont que le début du problème.

Les températures élevées peuvent également modifier le comportement des huiles du moteur de votre voiture, entraînant ainsi des pannes moteur potentielles. Par exemple, si une vague de chaleur rend la température 30 degrés F (16,7 degrés C) plus élevée que la normale, la viscosité – ou l’épaisseur – des huiles moteur de voiture typiques peut changer d’un facteur trois.

Les fluides comme les huiles moteur deviennent plus fluides à mesure qu'ils chauffent, donc s'il fait trop chaud, l'huile peut ne pas être suffisamment épaisse pour lubrifier correctement et protéger les pièces du moteur contre une usure accrue.

De plus, une journée chaude entraînera une dilatation de l’air à l’intérieur de vos pneus et augmentera la pression des pneus, ce qui pourrait augmenter l’usure et le risque de dérapage.

Les avions ne sont pas non plus conçus pour décoller à des températures extrêmes. À mesure qu’il fait plus chaud dehors, l’air commence à se dilater et prend plus de place qu’auparavant, le rendant plus mince ou moins dense. Cette réduction de la densité de l’air diminue le poids que l’avion peut supporter pendant le vol, ce qui peut entraîner des retards de voyage importants ou des annulations de vol.

En général, les composants électroniques contenus dans les appareils tels que les téléphones portables, les ordinateurs personnels et les centres de données sont constitués de nombreux types de matériaux qui réagissent tous différemment aux changements de température. Ces matériaux sont tous situés les uns à côté des autres dans des espaces restreints. Ainsi, à mesure que la température augmente, différents types de matériaux se déforment différemment, ce qui peut entraîner une usure et une défaillance prématurées.

Les batteries lithium-ion des voitures et des appareils électroniques en général se dégradent plus rapidement à des températures de fonctionnement plus élevées. En effet, des températures plus élevées augmentent la vitesse des réactions au sein de la batterie, y compris les réactions de corrosion qui épuisent le lithium de la batterie. Ce processus épuise sa capacité de stockage. Des recherches récentes montrent que les véhicules électriques peuvent perdre environ 20 % de leur autonomie lorsqu’ils sont exposés à des températures soutenues de 90 degrés Farenheit.