Machinesthermiques sont des dispositifs capables de transformer l'énergie thermique en travail mécanique. Chaque machine thermique a besoin d'une source de Chauffer et d'une substance active capable de modifier son volume et, par conséquent, de déplacer certains mécanismes, tels que des soupapes ou des pistons.
Toi moteurs à combustion interne, comme ceux qui conduisent les voitures d'aujourd'hui, sont exemples de machines thermiques. Ils absorbent la chaleur produite par la combustion d'un mélange de carburant et d'air, qui est périodiquement injecté dans leurs cylindres.
De cette façon, une partie de l'énergie libérée lors de l'explosion est convertie en travail, grâce à la mouvement du piston - l'une des pièces mobiles du moteur, utilisée pour convertir l'énergie thermique en énergie cinétique.
Comment fonctionnent les machines thermiques ?
Toutes les machines thermiques fonctionnent selon un cyclethermodynamique, c'est-à-dire des séquences d'états thermodynamiques qui se répètent. Ces cycles ont différents états de volume, de pression et de température, qui sont généralement représentés par des graphiques de pression en fonction du volume. Les cycles thermodynamiques sont conçus à la recherche d'une plus grande efficacité énergétique, c'est-à-dire que la production de moteurs capables d'extraire une grande quantité de travail est toujours recherchée.
Dans tout cycle thermodynamique, il est possible calculer graphiquement le travail. Par conséquent, il est nécessaire de calculer l'aire de l'intérieur du graphe, ce qui peut être compliqué à faire si le cycle en question a une forme irrégulière. De plus, le sens des flèches, horaire ou antihoraire, indique si le cycle en question est le cycle d'une machine thermique ou d'un réfrigérateur. Vérifier:
Cycle dans le sens des aiguilles d'une montre : Si le sens du cycle est horaire, le cycle est celui d'un moteur thermique, qui absorbe de la chaleur et produit du travail.
Cycle dans le sens inverse des aiguilles d'une montre : Dans le cas où le sens d'un cycle est dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, il doit recevoir un travail mécanique et dégager de la chaleur, comme dans le cas des moteurs de réfrigérateur.
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Chaque machine thermique a une configuration similaire: elle a un la sourcedansChauffer (source chaude), dont il extrait l'énergie nécessaire à son fonctionnement, et un couler (source froide), où une partie de la chaleur absorbée est dissipée. Notez le schéma suivant :
Selon le première loi de la thermodynamique, les machines thermiques ont besoin de recevoir une certaine quantité de chaleur pour fonctionner. Cependant, seule une petite fraction de cette quantité de chaleur, qui est une forme d'énergie, peut être converti en travail utile.
Les raisons de cette limitation sont essentiellement au nombre de deux: la première concerne la capacité technique à produire une machine qui ne dissipe pas l'énergie – ce qui est impossible – et la seconde est une limitation de la nature elle-même: par la 2ème loi de la Thermodynamique, aucune machine thermique ne peut présenter un Rendement 100%. Découvrez ce que dit la 2e loi de la thermodynamique, connue sous le nom de loi d'entropie, selon la déclaration de Kelvin :
"Il n'est pas possible pour un système, à une certaine température, d'absorber la chaleur d'une source et de la transformer entièrement en travaux mécaniques, sans modifications de ce système ou de ses quartiers."
La déclaration de Kelvin concerne la conversionintégral de chaleur dans le travail mécanique, déclarant qu'il s'agit impossible sans que des « changements » se produisent dans le système. Ce changement fait référence à l'effet de l'entropie: lors de l'élimination de la chaleur d'une source chaude, une partie de cette énergie est dégradée en des formes d'énergie moins utiles. Les processus de dégradation de l'énergie sont nombreux: vibrations des pièces mécaniques, frottements entre pièces et roulements, chaleur dissipée vers l'environnement extérieur, production de bruits audibles, etc.
Voir aussi: Découvrez l'histoire des machines thermiques
Mind Map: Machines Thermiques
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Performances des machines thermiques
L'efficacité de toute machine thermique peut être calculée comme le rapport entre le travail mécanique qu'elle produit et la quantité de chaleur qu'elle absorbe d'une source chaude :
η - Performance
τ – Travail mécanique (J – joules ou chaux – calories)
QQ – Chaleur de la source chaude (J - joules ou citron vert - calories)
Le travail mécanique, à son tour, est déterminé par la différence entre les quantités de chaleur « chaud » et « froid », donc, nous pouvons écrire les performances des machines thermiques à travers ces quantités:
QF – chaleur donnée à la source froide
Cherchant à déterminer quelles seraient les caractéristiques du cycle thermodynamique « parfait », le physicien français sadicarnot développé un cycle qui, au moins théoriquement, présente les plus grosEfficacitépossible pour une machine thermique qui fonctionne aux mêmes températures.
Ce cycle, connu sous le nom de Cycle Carnot, communément appelé machine carnot, n'est pas une vraie machine, puisque jusqu'à nos jours, des impossibilités techniques et pratiques empêchaient la construction d'une telle machine.
Voir aussi :Qu'est-ce que la chaleur latente ?
Le théorème de Carnot
O théorèmedanscarnot, énoncée en 1824, établit que même la machine thermique idéale, qui ne dissipe aucune quantité d'énergie due au frottement entre ses parties mobiles, a une limite d'élasticité maximale, qui dépend du rapport entre les températures de sa source chaude et froide, donnée en kelvin :
TQ – Température de la source chaude (K)
TF – Température source froide (K)
En analysant la formule ci-dessus, il est possible de voir que la machine thermique idéale a ses performances déterminées exclusivement par les températures de ses sources chaudes et froides. De plus, pour que son rendement soit de 100 %, il faudrait que TF était nulle, c'est-à-dire 0 K, la température du zéro absolu. Cependant, selon le 3e loi de la thermodynamique, une telle température est inaccessible.
La formule de rendement indiquée ci-dessus n'est valable que pour les machines thermiques fonctionnant selon le cycle de Carnot. De plus, le théorème montre également que le rapport des températures TF et TQ est égal au rapport entre les quantités de chaleur QF et QQ:
Voir aussi :En savoir plus sur les performances des machines thermiques
Cycle Carnot
O Cycle Carnot il se déroule en quatre étapes (ou quatre temps). Ce cycle est formé de deux transformations adiabatiques c'est deux transformations isothermes. Les transformations adiabatiques sont celles dans lesquelles il n'y a pas d'échange de chaleur, tandis que les transformations isothermes sont celles dans lesquelles il n'y a pas variation de température et, par conséquent, l'énergie interne de la substance active responsable du déplacement du moteur thermique reste constant.
La figure suivante représente le cycle de Carnot et ses quatre étapes. Vérifier:
I - Expansion isotherme : Au cours de cette étape, la substance active se dilate en maintenant sa température constante, effectue un travail et reçoit de la chaleur de la source chaude.
II - Expansion adiabatique : A ce stade, la substance active se dilate un peu et fonctionne sans recevoir de chaleur.
III - Contraction isotherme : A ce stade, le volume du gaz diminue, sa pression augmente et sa température reste constante, de plus, le gaz perd de la chaleur vers la source froide. A ce stade, des travaux sont effectués sur le gaz.
IV - Contraction adiabatique: Le gaz a une augmentation rapide de pression et peu de diminution de volume, mais il n'échange pas de chaleur pendant le processus.
Cycle d'Otto
Le cycle d'Otto est une séquence de transformations physiques subies par une substance active telle que l'essence ou l'éthanol. Ce cycle est largement utilisé dans les moteurs à combustion interne qui alimentent la plupart des véhicules de tourisme. Bien qu'il n'existe pas dans la pratique, le cycle d'Otto a été conçu pour se rapprocher d'un cycle de Carnot. La figure ci-dessous montre les étapes du cycle d'Otto.
JE - Processus 0-1: Admission isobare: Dans ce procédé, un mélange d'air et d'essence est admis par le moteur à pression constante ;
II - Processus 1-2: Compression adiabatique – Dans ce processus, il y a une augmentation rapide de la pression qui est exercée par les pistons du moteur, de sorte qu'il n'y a pas de temps pour que les échanges thermiques se produisent ;
III - Procédé 2-3-4: Combustion à volume constant (2-3) et détente adiabatique (3-4) - Une petite étincelle produit une explosion contrôlée dans le mélange d'air et d'essence puis le piston du moteur descend rapidement, provoquant une augmentation de volume et produisant une grande quantité de travail;
IV - Processus 4-1-0: Épuisement isobare – Les soupapes d'échappement s'ouvrent et laissent la fumée du carburant en combustion sortir du moteur à une pression constante.
Les étapes expliquées ci-dessus sont illustrées dans la figure suivante, qui représente les étapes de fonctionnement d'un moteur à quatre temps, alimenté à l'essence ou à l'alcool. Le mouvement du piston dans chacune des positions représentées est équivalent aux processus décrits :
Exemples de machines thermiques
Des exemples de machines thermiques sont :
Moteurs à combustion interne, tels que ceux alimentés à l'alcool, à l'essence et au diesel ;
Machines à vapeur;
Centrales thermoélectriques.
Machines thermiques et révolution industrielle
Les machines thermiques ont joué un rôle important dans le développement technologique de la société. Après avoir perfectionné par JamesWatt, les machines thermiques à vapeur ont permis à la révolution industrielle de se produire, changeant radicalement le monde.
Vous souhaitez en savoir plus sur ce sujet? Accédez à notre texte sur Révolution industrielle.
Réfrigérateurs
Les réfrigérateurs, ou machines frigorifiques, sont des machines thermiques inversées. Dans ces dispositifs, il est nécessaire d'effectuer des travaux sous le gaz à l'intérieur du moteur pour qu'il se dilate en absorbant la chaleur de l'environnement. Des exemples de réfrigérateurs sont: les réfrigérateurs, les congélateurs et la climatisation.
Si vous voulez en savoir plus sur le fonctionnement de ce type de machine, visitez notre texte sur fonctionnement et propriétés des réfrigérateurs.
Exercices sur machines thermiques
Exercice 1) Une machine thermique reçoit 500 J de chaleur d'une source chaude à chaque cycle de fonctionnement. Si cette machine dissipe 350 J de chaleur dans son puits froid, quelle sera son efficacité énergétique en pourcentage ?
a) 42 %
b) 50 %
c) 30%
d) 35 %
e) 25 %
Modèle: Lettre C
Résolution:
L'exercice fournit les quantités de chaleur nécessaires à la machine pour fonctionner pendant un cycle, nous pouvons donc déterminer ses performances en utilisant la formule qui relie QQ et QF, Voir:
Le calcul ci-dessus indique que seulement 30% de l'énergie thermique disponible pour le moteur à chaque cycle est transformée en travail mécanique.
Exercice 2) Une machine fonctionnant sur le cycle de Carnot a ses températures de source chaude et froide de 600 k et 400 k, respectivement. Cette machine dissipe 800 j de chaleur à sa source de température la plus basse à chaque cycle. Calculez la quantité de chaleur chaude absorbée par la machine à chaque cycle et son efficacité en pourcentage, puis cochez la bonne alternative.
a) 67 % et 320 j
b) 33 % et 1200 j
c) 33 % et 1900 j
d) 62 % et 1900 j
e) 80% et 900 j
Modèle: La lettre B
Résolution:
Calculons d'abord le rendement du moteur thermique en question. Pour cela, nous utiliserons les températures des sources chaudes et froides :
En utilisant les valeurs de température renseignées dans le relevé, nous devons résoudre le calcul suivant :
Pour calculer la quantité de chaleur que la machine absorbe à chaque cycle est simple, il suffit d'utiliser le théorème de Carnot :
Pour résoudre le calcul, remplacez simplement les données de l'exercice dans la formule ci-dessus.
Par moi Rafael Helerbrock
