Définition
Machine thermique
Une machine thermique est un dispositif qui convertit l'énergie thermique en travail ou l'inverse, en utilisant un fluide comme vecteur de quantité de chaleur.
Cycle thermodynamique
Un cycle thermodynamique décrit un processus au cours duquel un système retourne à son état initial, après avoir subi une série de transformations. Le cycle permet d'étudier les échanges de chaleur et de travail dans les machines thermiques.
Rendement
Le rendement d'une machine thermique est le rapport de l'énergie utile produite (travail) à l'énergie consommée (chaleur reçue).
Principe de fonctionnement des machines thermiques
Les machines thermiques peuvent être divisées en machines moteurs et machines réceptrices. Les machines moteurs, telles que les moteurs à combustion interne ou les turbines à gaz, convertissent l'énergie thermique en travail mécanique. À l'inverse, les machines réceptrices, telles que les réfrigérateurs ou les pompes à chaleur, utilisent le travail mécanique pour transférer de la chaleur d'une source froide vers une source chaude.
Exemples de machines thermiques
Le moteur à combustion interne
Le moteur à combustion interne (MCI) est un type de machine thermique largement utilisé dans les véhicules automobiles. Il fonctionne sur le principe de la compression et de l'allumage d'un mélange air-carburant dans un espace confiné, appelant cylindre. L'explosion qui en résulte pousse un piston, transformant l'énergie thermique en énergie mécanique.
La turbine à gaz
Les turbines à gaz sont utilisées dans les avions et les centrales électriques. Elles fonctionnent en brûlant du carburant dans une chambre de combustion, produisant des gaz chauds qui se détendent à travers des aubes de rotor pour produire un travail mécanique.
Cycles thermodynamiques
Cycle de Carnot
Le cycle de Carnot est un modèle théorique de réversibilité maximale et de rendement idéal. Composé de deux isothermes et de deux adiabatiques, il établit une limite supérieure théorique du rendement d'une machine thermique fonctionnant entre deux températures données. Cependant, étant donné que les processus idéaux du cycle de Carnot sont difficiles à réaliser en pratique, son rendement reste un objectif plus qu'une réalité atteinte.
Cycle de Rankine
Le cycle de Rankine est le cycle thermodynamique standard utilisé dans les centrales thermiques. Il implique l'évaporation d'un fluide (généralement de l'eau) dans une chaudière, l'expansion de la vapeur dans une turbine, la condensation dans un condenseur, et enfin la compression par une pompe pour boucler le cycle.
Cycle de Brayton
Le cycle de Brayton, utilisé dans les turbines à gaz, se compose de deux isentropes et de deux isobares. Après compression adiabatique de l'air, l'énergie est ajoutée par un processus de combustion à pression constante. La détente adiabatique du gaz dans la turbine produit du travail avant que l'air ne soit rejeté dans l'atmosphère.
Les rendements des machines thermiques
Le rendement des machines thermiques dépend largement de la nature du cycle thermodynamique qu'elles réalisent. Aucune machine réelle ne peut atteindre le rendement du cycle de Carnot, car elles rencontrent des pertes d'énergie sous forme de chaleur dissipée, friction, et autres inefficacités.
A retenir :
Les machines thermiques sont essentielles pour convertir l'énergie sous forme de chaleur en travail mécanique. Leurs principes de fonctionnement sont basés sur des cycles thermodynamiques, avec des exemples concrets comme les moteurs à combustion interne, les turbines à gaz, et les cycles de Rankine et de Brayton. La performance de ces machines est mesurée par leur rendement, bien que toujours inférieur au rendement théorique maximal du cycle de Carnot en raison des inévitables pertes d'énergie.
