Les moteurs thermiques sont tout autour de vous. De la voiture que vous conduisez au réfrigérateur qui garde vos aliments au frais pour les systèmes de chauffage et de refroidissement de votre maison, ils fonctionnent tous selon les mêmes principes clés.

Le but de tout moteur thermique est de convertir l'énergie thermique en utile travail, et il existe de nombreuses approches différentes que vous pouvez utiliser pour ce faire. L'une des formes les plus simples de moteur thermique est le moteur Carnot, du nom du physicien français Nicolas Leonard Sadi Carnot, construit autour d'un processus en quatre étapes idéalisé qui dépend des étapes adiabatiques et isothermes.

Mais le moteur Carnot est juste un exemple de moteur thermique, et de nombreux autres types atteignent le même objectif de base. Apprendre comment fonctionnent les moteurs thermiques et comment faire des choses comme calculer l'efficacité d'un moteur thermique est important pour quiconque étudie la thermodynamique.
Qu'est-ce qu'un moteur thermique?

Un moteur thermique est un système thermodynamique qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique. Bien que de nombreux modèles différents relèvent de cette rubrique générale, plusieurs composants de base se retrouvent dans à peu près n'importe quel moteur thermique.

Tout moteur thermique a besoin d'un bain de chaleur ou d'une source de chaleur à haute température, qui peut prendre de nombreuses formes différentes ( par exemple, un réacteur nucléaire est la source de chaleur dans une centrale nucléaire, mais dans de nombreux cas, la combustion de combustible est utilisée comme source de chaleur). De plus, il doit y avoir un réservoir froid à basse température, ainsi que le moteur lui-même, qui est généralement du gaz qui se dilate lorsque la chaleur est appliquée.

Le moteur absorbe la chaleur du réservoir chaud et se dilate, et cette expansion processus est ce qui fonctionne sur l'environnement, généralement exploité sous une forme utilisable avec un piston. Le système libère ensuite de l'énergie thermique dans le réservoir froid et revient à son état initial. Le processus se répète ensuite, encore et encore de manière cyclique afin de générer en continu un travail utile.
Types de moteurs thermiques

Les cycles thermodynamiques ou cycles moteurs sont une manière générique de décrire de nombreux systèmes thermodynamiques spécifiques qui fonctionnent. de la manière cyclique commune à la plupart des moteurs thermiques. L'exemple le plus simple d'un moteur thermique fonctionnant avec des cycles thermodynamiques est le moteur Carnot ou un moteur fonctionnant sur la base du cycle Carnot. Il s'agit d'une forme idéale de moteur thermique qui n'implique que des processus réversibles, en particulier la compression et l'expansion adiabatique et isotherme.

Tous les moteurs à combustion interne fonctionnent sur le cycle Otto, qui est un autre type de cycle thermodynamique qui utilise l'allumage de carburant pour faire un travail sur un piston. Dans la première étape, le piston tombe pour aspirer un mélange carburant-air dans le moteur, qui est ensuite comprimé de manière adiabatique dans la deuxième étape et enflammé dans la troisième.

Il y a une augmentation rapide de la température et de la pression, ce qui fonctionne sur le piston par expansion adiabatique, avant l'ouverture de la soupape d'échappement, ce qui entraîne une réduction de la pression. Enfin, le piston monte pour évacuer les gaz dépensés et achever le cycle du moteur.

Un autre type de moteur thermique est le moteur Stirling, qui contient une quantité fixe de gaz qui se déplace entre deux cylindres différents à différents stades de la processus. La première étape consiste à chauffer le gaz pour augmenter la température et produire une haute pression, ce qui déplace un piston pour fournir un travail utile.

Le piston remonte ensuite et pousse le gaz dans un deuxième cylindre, où il se trouve refroidi par le réservoir froid avant d'être à nouveau comprimé, un processus nécessitant moins de travail que celui produit à l'étape précédente. Enfin, le gaz est ramené dans la chambre d'origine, où le cycle du moteur Stirling se répète.
Efficacité des moteurs thermiques

L'efficacité d'un moteur thermique est le rapport entre la puissance utile utile et l'énergie thermique ou thermique. et le résultat est toujours une valeur comprise entre 0 et 1, sans unités, car l'énergie thermique et la puissance de travail sont mesurées en joules. Cela signifie que si vous aviez un moteur thermique
parfait, il aurait une efficacité de 1 et convertirait toute l'énergie thermique en travail utilisable, et s'il réussissait à en convertir la moitié, l'efficacité serait de 0,5. Sous une forme basique, la formule peut s'écrire:
\\ text {Efficiency} \u003d \\ frac {\\ text {Work}} {\\ text {Heat energy}}

Bien sûr, il est impossible pour un moteur thermique de ont une efficacité de 1, car la deuxième loi de la thermodynamique dicte que tout système fermé augmentera l'entropie au fil du temps. Bien qu'il existe une définition mathématique précise de l'entropie que vous pouvez utiliser pour comprendre cela, la façon la plus simple d'y penser est que les inefficacités inhérentes à tout processus entraînent une certaine perte d'énergie, généralement sous la forme de chaleur perdue. Par exemple, le piston d'un moteur aura sans aucun doute un certain frottement contre son mouvement, ce qui signifie que le système perdra de l'énergie dans le processus de conversion de la chaleur en travail.

L'efficacité maximale théorique d'un moteur thermique est appelée Efficacité Carnot. L'équation pour cela relie la température du réservoir chaud T
_{H et du réservoir froid T
C à l'efficacité ( η
) du moteur.
η \u003d 1 - \\ frac {T_C} {T_H}}

Vous pouvez multiplier le résultat par 100 si vous souhaitez exprimer la réponse en pourcentage. Il est important de se rappeler qu'il s'agit du maximum théorique
- il est peu probable qu'un moteur du monde réel se rapproche réellement de l'efficacité de Carnot dans la pratique.

La chose importante à noter est que vous maximisez la l'efficacité des moteurs thermiques en augmentant la différence de température entre le réservoir chaud et le réservoir froid. Pour un moteur automobile, T
_{H est la température des gaz à l'intérieur du moteur lors de la combustion, et T
C est la température à laquelle ils sont expulsés le moteur.
Exemples réels - Machine à vapeur}

La machine à vapeur et les turbines à vapeur sont deux des exemples les plus connus de moteur thermique, et l'invention de la machine à vapeur a été un événement historique important dans l'industrialisation de la société. Un moteur à vapeur fonctionne de manière très similaire aux autres moteurs thermiques discutés jusqu'à présent: une chaudière transforme l'eau en vapeur, qui est envoyée dans un cylindre contenant un piston, et la haute pression de la vapeur déplace le cylindre.

La vapeur transfère une partie de l'énergie thermique au cylindre, se refroidissant dans le processus, puis lorsque le piston a été complètement poussé, la vapeur restante est évacuée du cylindre. À ce stade, le piston revient à sa position d'origine (parfois la vapeur est acheminée de l'autre côté du piston pour qu'il puisse également le repousser), et le cycle thermodynamique recommence avec plus de vapeur.

Cette conception relativement simple permet de produire une grande quantité de travail utile à partir de tout ce qui peut faire bouillir de l'eau. L'efficacité d'un moteur thermique avec cette conception dépend de la différence entre la température de la vapeur et celle de l'air ambiant. Une locomotive à vapeur utilise le travail créé à partir de ce processus pour faire tourner les roues et propulser le train.

Une turbine à vapeur fonctionne de manière très similaire, sauf que le travail consiste à faire tourner une turbine au lieu de déplacer un piston. C'est un moyen particulièrement utile pour générer de l'électricité en raison du mouvement de rotation généré par la vapeur.
Exemples réels - Moteur à combustion interne

Le moteur à combustion interne fonctionne sur la base du cycle d'Otto décrit ci-dessus, avec étincelle allumage utilisé pour les moteurs à essence et allumage par compression utilisé pour les moteurs diesel. La principale différence entre ceux-ci est la façon dont le mélange carburant-air est allumé, le mélange carburant-air étant comprimé puis physiquement enflammé dans les moteurs à essence et le carburant étant pulvérisé dans l'air comprimé dans les moteurs diesel, ce qui provoque son inflammation de la température .

En dehors de cela, le reste du cycle Otto est terminé comme décrit précédemment: le carburant est aspiré dans le moteur (ou juste de l'air pour le diesel), comprimé, allumé (par une étincelle pour le carburant et la pulvérisation de carburant dans l'air chaud et comprimé pour le diesel), qui fait un travail utilisable sur le piston par expansion adiabatique, puis la soupape d'échappement s'ouvre pour réduire la pression, et le piston expulse le gaz utilisé.
Exemples du monde réel - Pompes à chaleur, Climatiseurs et réfrigérateurs

Les pompes à chaleur, les climatiseurs et les réfrigérateurs fonctionnent également sur une forme de cycle de chaleur, bien qu'ils aient le but différent d'utiliser le travail pour déplacer l'énergie thermique plutôt que l'inverse. Par exemple, dans le cycle de chauffage d'une pompe à chaleur, le fluide frigorigène absorbe la chaleur de l'air extérieur en raison de sa température plus basse (puisque la chaleur toujours
circule du chaud au froid), et est ensuite poussé à travers un compresseur pour augmenter sa pression et donc sa température.

Cet air plus chaud est ensuite acheminé vers le condenseur, près de la pièce à chauffer, où le même processus transfère la chaleur à la pièce. Enfin, le fluide frigorigène est introduit dans une vanne qui abaisse la pression et donc la température, prêt pour un autre cycle de chauffage.

Dans le cycle de refroidissement (comme dans une unité de climatisation ou un réfrigérateur), le processus se déroule essentiellement en marche arrière. Le réfrigérant absorbe l'énergie thermique de la pièce (ou à l'intérieur du réfrigérateur) car il est maintenu à une température froide, puis il est poussé à travers le compresseur pour augmenter la pression et la température.

À ce stade, il se déplace vers l'extérieur de la pièce (ou à l'arrière du réfrigérateur), où l'énergie thermique est transférée à l'air extérieur plus frais (ou à la pièce environnante). Le réfrigérant est ensuite envoyé à travers la soupape pour abaisser la pression et la température, lisant pour un autre cycle de chauffage.

Puisque le but de ces processus est l'opposé des exemples de moteur, l'expression de l'efficacité d'une pompe à chaleur ou le réfrigérateur est différent aussi. Cependant, c'est assez prévisible dans la forme. Pour le chauffage:
η \u003d \\ frac {Q_H} {W_ {in}}

Et pour le refroidissement:
η \u003d \\ frac {Q_C} {W_ {in}}

Où le Les termes Q
désignent l'énergie thermique déplacée dans la pièce (avec l'indice H) et retirée de celle-ci (avec l'indice C) et W
_{in est l'entrée de travail dans le système sous forme d'électricité. Encore une fois, cette valeur est un nombre sans dimension compris entre 0 et 1, mais vous pouvez multiplier le résultat par 100 pour obtenir un pourcentage si vous préférez.
Exemple réel - Centrales électriques ou centrales électriques}

Centrales électriques ou les centrales électriques ne sont en réalité qu'une autre forme de moteur thermique, qu'elles créent de la chaleur à l'aide d'un réacteur nucléaire ou en brûlant du combustible. La source de chaleur est utilisée pour déplacer les turbines et ainsi effectuer des travaux mécaniques, souvent en utilisant de la vapeur d'eau chauffée pour faire tourner une turbine à vapeur, qui génère de l'électricité de la manière décrite ci-dessus. Le cycle thermique précis utilisé peut varier entre les centrales électriques, mais le cycle Rankine est couramment utilisé.

Le cycle Rankine commence avec la source de chaleur augmentant la température de l'eau, puis l'expansion de la vapeur d'eau dans une turbine, suivi de la condensation dans le condenseur (dégageant de la chaleur perdue dans le processus), avant que l'eau refroidie ne passe dans une pompe. La pompe augmente la pression de l'eau et la prépare pour un chauffage supplémentaire.