Moteur thermique: définition, types et exemples

Les moteurs thermiques sont partout autour de vous. De la voiture que vous conduisez au réfrigérateur qui garde vos aliments au frais aux systèmes de chauffage et de refroidissement de votre maison, ils fonctionnent tous sur la base des mêmes principes clés.

L'objectif de tout moteur thermique est de convertir l'énergie thermique en travail utile, 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 Léonard Sadi Carnot, construit autour d'un processus idéalisé en quatre étapes qui dépend de l'adiabatique et de l'isotherme étapes.

Mais le moteur Carnot n'est qu'un exemple de moteur thermique, et de nombreux autres types atteignent le même objectif de base. Apprendre comment fonctionnent les moteurs thermiques et comment calculer l'efficacité d'un moteur thermique est important pour quiconque étudie la thermodynamique.

Un moteur thermique est un système thermodynamique qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique. Bien que de nombreuses conceptions différentes relèvent de cette rubrique générale, plusieurs composants de base se trouvent 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 différentes formes (par exemple, un réacteur nucléaire est la source de chaleur dans une centrale nucléaire, mais dans de nombreux cas, le combustible brûlant est utilisé comme source de chaleur la source). 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 ce processus d'expansion 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 permanence un travail utile.

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 de moteur thermique fonctionnant avec des cycles thermodynamiques est le moteur de Carnot ou un moteur fonctionnant selon le cycle de Carnot. Il s'agit d'une forme idéalisée de moteur thermique qui ne fait intervenir que des processus réversibles, notamment la compression et la détente adiabatiques et isothermes.

Tous les moteurs à combustion interne fonctionnent selon le cycle Otto, qui est un autre type de cycle thermodynamique qui utilise l'allumage du carburant pour effectuer un travail sur un piston. Au premier étage, le piston descend pour aspirer un mélange air-carburant dans le moteur, qui est ensuite comprimé adiabatiquement au deuxième étage et enflammé au troisième.

Il y a une augmentation rapide de la température et de la pression, qui agit sur le piston par expansion adiabatique, avant que la soupape d'échappement ne s'ouvre, entraînant une réduction de la pression. Enfin, le piston monte pour évacuer les gaz brûlés et terminer 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 différentes étapes du processus. La première étape consiste à chauffer le gaz pour augmenter la température et produire une pression élevée, qui déplace un piston pour fournir un travail utile.

Le piston remonte alors et pousse le gaz dans un deuxième cylindre, où il est refroidi par le froid réservoir avant d'être à nouveau comprimé, un processus nécessitant moins de travail que ce qui était produit dans le précédent étape. Enfin, le gaz est ramené dans la chambre d'origine, où le cycle du moteur Stirling se répète.

Le rendement d'un moteur thermique est le rapport entre le travail utile et l'apport de chaleur ou d'énergie thermique, et le le résultat est toujours une valeur comprise entre 0 et 1, sans unité car l'énergie thermique et la production de travail sont mesurées en joules. Cela signifie que si vous aviez unparfaitmoteur thermique, il aurait un rendement de 1 et convertirait toute l'énergie thermique en travail utilisable, et s'il parvenait à en convertir la moitié, le rendement serait de 0,5. Sous une forme basique, la formule peut être écrit:

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

Le rendement théorique maximum d'un moteur thermique est appelé rendement Carnot. L'équation pour cela concerne la température du réservoir chaudT​_H et réservoir froidT​_C à l'efficacité (η) du moteur.

Vous pouvez multiplier le résultat par 100 si vous souhaitez exprimer la réponse en pourcentage. Il est important de se rappeler que c'est lethéoriquemaximum - il est peu probable qu'un moteur réel approche véritablement l'efficacité de Carnot dans la pratique.

La chose importante à noter est que vous maximisez 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 lorsqu'ils sont brûlés, etT​_C est la température à laquelle ils sont poussés hors du moteur.

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 société. Une machine à vapeur fonctionne de manière très similaire aux autres moteurs thermiques évoqués 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 au cours du 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 vers l'autre côté du piston pour qu'il puisse aussi 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 est capable de faire bouillir de l'eau. L'efficacité d'un moteur thermique de 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.

Le moteur à combustion interne fonctionne sur la base du cycle Otto décrit ci-dessus, avec un allumage par étincelle utilisé pour les moteurs à essence et un allumage par compression utilisé pour les moteurs diesel. La principale différence entre ceux-ci réside dans la manière dont le mélange air-carburant est enflammé, le mélange air-carburant étant comprimé puis physiquement enflammé dans les moteurs à essence et le carburant pulvérisé dans l'air comprimé dans les moteurs diesel, provoquant son inflammation à partir du 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 diesel), comprimé, enflammé (par une étincelle pour le carburant et la pulvérisation de carburant dans l'air comprimé chaud 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 pousse le gaz usé.

Les pompes à chaleur, les climatiseurs et les réfrigérateurs fonctionnent tous également sur une forme de cycle thermique, bien qu'ils aient un objectif 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 réfrigérant absorbe la chaleur de l'air extérieur en raison de sa température plus basse (puisque la chaleurtoujourspasse du chaud au froid), puis est poussé dans un compresseur pour élever sa pression et donc sa température.

Cet air plus chaud est ensuite déplacé vers le condenseur, près de la pièce à chauffer, où le même processus transfère la chaleur à la pièce. Enfin, le réfrigérant est acheminé 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 sens inverse. Le réfrigérant absorbe l'énergie thermique de la pièce (ou à l'intérieur du réfrigérateur) car il est maintenu à un température froide, puis il est poussé à travers le compresseur pour augmenter la pression et 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 vanne pour abaisser la pression et la température, la lecture pour un autre cycle de chauffage.

Étant donné que le but de ces processus est à l'opposé des exemples de moteurs, l'expression de l'efficacité d'une pompe à chaleur ou d'un réfrigérateur est également différente. C'est assez prévisible dans la forme, cependant. Pour le chauffage :

Et pour le refroidissement :

Où leQles termes sont pour l'énergie thermique déplacée dans la pièce (avec l'indice H) et hors de celle-ci (avec l'indice C) etW​_dans est le travail entrant 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.

Les centrales électriques ou centrales électriques ne sont en réalité qu'une autre forme de moteur thermique, qu'elles produisent de la chaleur à l'aide d'un réacteur nucléaire ou en brûlant du combustible. La source de chaleur est utilisée pour déplacer des turbines et ainsi effectuer un travail mécanique, utilisant souvent 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 de chaleur précis utilisé peut varier d'une centrale électrique à l'autre, mais le cycle de Rankine est couramment utilisé.

Le cycle de Rankine commence par la source de chaleur élevant la température de l'eau, puis l'expansion de la vapeur d'eau dans un turbine, suivie de la condensation dans le condenseur (libérant la chaleur perdue dans le processus), avant que l'eau refroidie n'aille à un pompe. La pompe augmente la pression de l'eau et la prépare pour un chauffage supplémentaire.