Énergie pneumatique - Définition
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Introduction
L'énergie pneumatique est l'énergie emmagasinée dans un gaz comprimé. Elle est exploitée dans un système pneumatique.
Dans un système pneumatique, le gaz comprimé est utilisé comme moyen de transport et de stockage d’énergie. De production facile, le système pneumatique présente un certain nombre d’avantages.
Comme un système hydraulique, un système pneumatique est fondé sur une différence de pression entre deux zones, qui crée une force, puis un mouvement. Mais un système hydraulique utilise un fluide non compressible, un liquide, alors qu'un système pneumatique s'appuie sur un fluide compressible, un gaz. Un système hydraulique comprend souvent un système pneumatique pour un stockage d'énergie, au moins temporaire, le gaz étant utilisé à la manière d'un ressort.
Choix du gaz
L'air est souvent utilisé, sauf quand des contraintes diverses conduisent à choisir d'autres gaz :
- Par exemple, une préoccupation de résistance à l'oxydation conduit à utiliser de l'azote ou un autre gaz neutre.
- Des températures particulières peuvent conduire à utiliser des matériaux ayant une phase vapeur aux températures recherchées : les machines à vapeur utilisent un mélange d'air et de vapeur d'eau.
- Enfin, les moteurs à combustion interne sont des systèmes pneumatiques dont le gaz comprimé est issu de la combustion d'un combustible dans de l'air.
Le cas particulier de l'usage de l'air est traité dans l'article air comprimé.
Bases de la modélisation physique
Le domaine des systèmes pneumatiques est lié à la science de la thermodynamique.
Il s'agit d'un domaine extrêmement complexe, car de nombreux paramètres interviennent en même temps, ce qui rend les systèmes difficiles à décrire et à maîtriser.
Par exemple, la loi de Mariotte décrit les gaz parfaits sous la forme : PV = nRT.
Cette loi fait déjà intervenir en même temps la Pression, le Volume, le nombre de molécules de gaz et la température, pour décrire une situation statique à l'équilibre.
Or une différence de pression va entrainer des mouvements, ayant une incidence sur les pressions locales, sur le volume, sur les températures locales et sur le nombre de molécules s'il y a des fuites.
Les mouvements de fluides, étudiés par l'aérodynamique, peuvent être complexes et créer des résonances, c'est à dire des sons.
Les différences de température vont entrainer des transferts de chaleur, qui vont modifier les pressions, avec les conséquences indiquées précédemment.
Selon les conditions de température et de pression, des espèces chimiques peuvent changer d'état, entre gaz, liquide, voire solide, ce qui change la densité volumique, la compressibilité, l'énergie disponible, les pressions et les températures.
Et d'éventuelles interactions chimiques vont modifier les espèces de molécules et leur nombre, les températures, et les pressions...
On peut aussi noter les interactions avec les champs électromagnétiques, domaine de la magnétohydrodynamique, même si ces application sont peu connues.
La loi de Mariotte décrit un gaz simplifié, et demande des compléments complexes pour les gaz réels et mélangés utilisés, car il s'agit de simplifications statistiques appliquées à des molécules en très grand nombre : dans le domaine des systèmes pneumatiques, rien ne remplace les expériences réelles.
Pour réussir à comprendre les interactions entre tous les paramètres, on essaye de se ramener à des situations simples, en gardant certains paramètres constants. On parlera de « transformation » :
- isotherme : à température constante ;
- isobare : à pression constante ;
- isochore : à volume constant ;
- adiabatique : à énergie thermique constante ;
On essaye aussi de faire les transformations lentement, afin de rester proche des équilibres :
- si un piston de pompe à vélo est poussé rapidement, l'air va sortir très chaud ;
- s'il est poussé plus lentement, l'air s'échauffera moins et plus de pression sera disponible. L'efficacité de la compression sera meilleure.
