Machine thermique
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La théorie des machines thermiques s'attache à la description et à l'étude physique de certains systèmes thermodynamiques qui permettent de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique, et vice versa. Fondée au milieu du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et...), elle s'appuye sur la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la...), et en particulier sur ses deux premiers principes.

Naissance

C'est le désir de mettre en équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer...) les machines thermiques (avec Carnot notamment) qui est à l'origine de la thermodynamique et en particulier du premier et du second principe. Comme le souligne Feynman dans son Cours de Physique, c'est l'un des rare cas où les sciences de l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre...) ont permis une avancée importante de la physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.).

Fondements théoriques

Premier principe

Le premier principe de la thermodynamique relie le travail mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement,...) à la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) et à l'énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle mécanique. C'est...) d'un système. Si le système est capable d'effectuer des cycles, la variation d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) entre deux cycles successifs est nulle :

ΔE = W + Q = 0
Cycle d'une machine ditherme
Cycle d'une machine ditherme

Le travail et la chaleur étant liées, on peut, en contrôlant l'une de ces variables, influencer l'autre. Dans le cas général, le fuide des machines thermiques sont au contact de sources thermiques, de différentes températures T1,T2,...,Tn qui fournissent des chaleurs Q1,Q2,...,Qn; et reçoivent un travail W. On algébrise ces valeurs vu du fluide : Qi est positif si le transfert s'effectue de la source vers le fuide, négatif le cas échéant.

On nommera la machine thermique (La théorie des machines thermiques s'attache à la description et à l'étude physique de certains systèmes thermodynamiques qui permettent de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique, et vice versa. Fondée au milieu...) en fonction du signe de W:

  • moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce...) si W < 0.
  • récepteur si W > 0; catégorie dans laquelle on distingue:
    • les pompes à chaleur si le but de la machine est de " réchauffer " source chaude (Une source chaude est une source dont l'eau sort du sol à une température élevée, chauffée par un processus géothermique. Il y a des sources...).
    • les réfrigérateurs si le but est de refroidir la source froide.

Par exemple, un réfrigérateur (Un réfrigérateur (ou frigidaire ou frigo dans le langage famillier) est un appareil principalement utilisé en cuisine, avec un compartiment...) est en contact avec deux sources de chaleur : une source dite froide qui est l'intérieur du réfrigérateur et une source dite chaude qui est l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) extérieur, il reçoit un travail d'origine électrique qui fait fonctionner une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) permettant la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts...). Dans cet exemple QF est positif (on extrait de l'énergie du réfrigérateur), QC est négatif (on " rechauffe l'air ") et W est positif (le moteur éléctrique donne de l'énergie au fuide en le faisant circuler).

Inégalité de Clausius

Le premier principe, s'il pose les bases des machines thermiques, néglige une partie de leur étude : en effet, le second principe de la thermodynamique, qui traite de l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite au milieu du XIXe siècle par Rudolf Clausius dans le cadre du second principe, d'après les travaux de Carnot[1]....), s'oppose à des abberations tels que le " mouvement perpétuel ". Il permet également, sous la forme de l'inégalité de Clausius, de prédire l'efficacité théorique maximale d'une machine.

Le second principe appliqué au fluide thermique de la machine sur un cycle s'écrit :

ΔScycle = Sechangee + Screee

Or, puisque S est une fonction d'état (dS est une différentielle exacte), on a :

ΔScycle = 0

Dans de nombreux cas,

S_{echangee}=\sum_{i=1}^{n} \frac{Q_{i}}{T_{i}} et S_{creee} \geq 0
donc \sum_{i=1}^{n} \frac{Q_{i}}{T_{i}} \leq 0.

Dans le " cas réversible ", hypothétique, où Screee = 0, on obtient l'égalité de Clausius-Carnot :

\sum_{i=1}^{n} \frac{Q_{i}}{T_{i}} = 0

On peut à partir de cette égalité limite établir l'efficacité théorique maximale que l'on peut espérer avec la machine.

Rendement, efficacité d'une machine thermique

L'efficacité d'une machine thermique, qui est une grandeur sans dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...), peut s'exprimer qualitativement comme :

\frac{ce \; qui \; est \; utile}{ce \; que \; l'on \;fournit} "

De manière plus rigoureuse, en termes d'énergie,

\eta = \frac{\Delta E_{fournie}}{\Delta E_{consommee}}.

L'efficacité théorique maximale d'une machine thermique ditherme est réalisée par un cycle entièrement réversible constitué de deux isothermes et deux adiabatiques, appelé cycle de Carnot (En thermodynamique, le cycle de Carnot est le processus cyclique réversible de la machine de Carnot. Cette machine produit du travail (c'est un moteur) à partir de deux sources de...). Cette limite ne dépend que des températures des sources de chaleur et est donc indépendante de la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) utilisée.

Il est aussi possible de définir le rendement r d'une machine thermique comme le rapport de l'efficacité réelle par le rendement idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les entiers. Il est...) de Carnot :

r = \frac{\eta_{reel}}{\eta_{Carnot}}

Par construction, à causes des pertes et des irréversibilités du système, le rendement r est toujours inférieur (dans le cas idéal, égal) à 1. Le rendement dépend des températures, mais aussi de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) utilisés, des frottements internes ou encore des pertes thermiques. Dans les cas réels, on approche la limite théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de très loin : il reste beaucoup de progrès à faire dans ces domaines.

Exemples de machines thermiques

De nombreuses machines thermiques sont d'un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) courant, tels le moteur à explosion (Le moteur à explosion est un type de moteur à combustion interne, il est principalement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avion à hélice, automobile,...) (un type de moteur à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme...), qui remplace la machine à vapeur (La machine à vapeur est une invention,dont les évolutions les plus significatives datent du XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combustion externe, il transforme l'énergie thermique que possède la vapeur...)...), ou le réfrigérateur. Des applications plus diverses, comme la pompe à chaleur (Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer), alors que spontanément la chaleur se diffuse...) ou le moteur à combustion externe, pourtant prometteurs, sont peu courants.

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