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Extrait du cours de thermodynamique les machines thermiques dithermes
1. Cycles et machines thermiques.
Ces machines thermiques permettent de produire du froid (réfrigérateur), du chaud (pompe à chaleur) ou du travail (moteur thermique) à partir de sources de chaleur uniquement (c’est l’application du 1er principe de la thermodynamique).
Comme les transformations doivent être continues (pour marcher tout le temps, et non pendant quelques secondes uniquement) , il ne peut s’agir que :
1. de transformations infiniment lentes : sans intérêt car dans ce cas la puissance développée serait infiniment petite : on n’a pas toute notre vie pour refroidir un frigo !.
2. de transformations cycliques où l’état final et initial du système (gaz par exemple) sont identiques : c’est ce qui est réalisé en pratique.
On a vu (voir cours n° 5) qu’il fallait absolument 2 sources de chaleur au minimum pour avoir un moteur thermique. Le moteur ditherme est donc le moteur « minimal » qui échange de la chaleur entre deux sources. Cet échange de chaleur (qui correspond globalement à une absorption de chaleur sur un cycle) permettra une perte de travail, c’est -à -dire de l’énergie motrice fournie à l’extérieur. (Les machines thermiques dithermes)
2. Les moteurs thermiques dithermes.
2.1. Moteur réversible en contact avec 2 sources : cycle de Carnot.
Rappelons qu’un cycle réversible est un cycle pour lequel le système d’étude est constamment en équilibre thermodynamique avec son environnement immédiat (appelé « extérieur ») : pour les systèmes simples que l’on étudie cela se traduit par un équilibre thermique(égalité des températures intérieure et extérieure lors des contacts thermiques) et mécanique(égalité des pressions intérieure et extérieure). Le cycle est dit dithermes’il se déroule entre 2 thermostats uniquement (ou sources de chaleur2).
Ces définitions rappelées, le seulcycle ditherme réversiblepossible est donc le cycle composé de 2 isothermes et de 2 adiabatiques (qui permettent, sans contact avec les sources, de passer de l’isotherme chaude T2 à l’isotherme froide T1) : ce cycle est appelé cycle de Carnot. Les chaleurs échangées lors du cycle Q1 et Q2 sont alors forcément échangées sur les isothermes puisque les adiabatiques n’échangent pas de chaleur avec les sources (par définition d’une adiabatique). Le cycle de Carnot est le cycle ditherme réversible : il assure le rendement maximal du moteuren contact avec 2 sources.
2.2. Exemple d’un moteur « ditherme » réel : le cycle de Beau De Rochas (essence).
Un moteur de Carnot est très compliqué (donc très cher) à réaliser, pour des raisons techniques et non théoriques (isothermes difficiles à assurer, pressions élevées). On fabrique donc des moteurs plus simples (moins cher) mais non réversibles (donc avec un rendement plus faible ou bien un travail perdu plus faible).Le cycle de l’air du moteur vu ici est constitué de 4 temps : un « temps » correspondant à une course totale du piston et non à un type de transformation sur le diagramme P(V). Le fluide utilisé est un mélange air -essence (4).
-L’admission et la compression sont possibles car le moteur a été préalablement lancé (au moyen d’un moteur électrique) et un volant d’inert ie permet d’emmagasiner l’énergie cinétique du lancement pour permettre l’aspiration de l’air. Par la suite, la présence de 3 autres cylindres, chacun fonctionnant sur un temps différent, permet une rotation plus régulière du moteur ainsi qu’un travail fourni 4 fois plus élevé. La compression est nécessaire pour permettre l’explosion du mélange à l’aide des bougies. (Les machines thermiques dithermes)
3. Les machines frigorifiques.
3.1. Réfrigérateurs (ou climatiseurs).
L’absorption du froid est plus importante si on y a joute une absorption de chaleur latente de changement de phase. En pratique on va provoquer dans un serpentin la vaporisation (= ébullition) d’un liquide (transition liquide vapeur) à température ambiante (température initiale de l’intérieur du frigo) en créant une dépression du fluide (détente forcée à l’aide du compresseur par l’aspiration du fluide à travers un tube poreux). Cette chaleur latente de vaporisation doit être aussi élevée que possible (p our une masse donnée de fluide frigorigène) afin d’accélérer le processus (différents fluides sont utilisés : CFC, fréon…). Afin d’assurer, pour chaque cycle, un phénomène de vaporisation, il faut bien passer par une liquéfaction à un moment donné du cycle: cela est réalisé en comprimant suffisamment le fluide sous température ambiante (extérieur du frigo). Lorsque la température froide est suffisante, un bilame arrête le moteur du compresseur.
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