CYCLES THERMODYNAMIQUES & MACHINES THERMIQUES
Pr. AZZABAKH Aniss
Université Abdelmalek Essaâdi
Ecole Nationale des Sciences Appliquées
Tanger
Année universitaire 2020-2021
Département de Génie Electrique et Industriel�AP2
Semestre 4
I. Introduction:
Cours : Thermodynamique
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Un cycle thermodynamique est tout processus pour lequel un système partant d’un état initial, subit une série de transformations thermodynamiques suite à lesquelles il atteint un état final qui est égal à celui initial.
Le premier principe de la thermodynamique s’écrit :
AP2/ S4
Définition :
Q et W : Chaleur et travail qui entrent dans le système par son frontière;
U : Energie totale du système, qui inclue celles potentielle et cinétique ainsi que tous le reste qu’on englobe dans le concept d’énergie interne.
Q + W =ΔU
Un processus cyclique est un processus pour lequel l’état finale est identique à l’état initiale, ou qui se répète périodiquement.
Les processus cycliques sont la base de toutes les machines thermiques et moteurs qui fonctionnent d’une manière périodique.
I. Introduction:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Dans un processus cyclique, l’énergie totale à la fin de ce dernier est la même qu’au début, puisqu’elle s’agit d’une fonction d’état :
Source chaude
Qe
Source froide
(Ambiance)
We
Ws
Qs
L’expression de l’énergie et du travail en fonction de ce qui entre et de ce qui sort donne :
Donc :
Ce qui indique que dans processus cyclique, ce qui entre est égale à ce qui sort.
I. Introduction:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Dans cette équation, pas tous les termes sont non nuls en toutes les occasions.
Par exemple, dans un moteur électrique parfait, du travail électrique entre dans le système (moteur) et sort un travail mécanique, sans qu’elle y aura une chaleur mise en jeu.
We
Ws
Maintenant, la situation est différente pour un moteur électrique réel. En effet, ils existent toujours des pertes qui dissipent de l’énergie sous forme de chaleur comme les résistances électriques et le frottement.
We
Ws
Qs
Source froide
(Ambiance)
I. Introduction:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Donc, le travail ne sort pas comme il entre, mais une partie s’échappe sous forme de chaleur se dissipant vers l’ambiance. Et donc, pour que ceci puisse se faire, l’ambiance devrait être à une température plus inférieure que le système.
⇨ La chaleur perdue est conduite vers la source froide.
Le rendement ou l’efficacité d’une machine est définie d’une manière générale :
Ce qui sera, dans le cas d’un moteur électrique réel :
Exemple : Pour le cas d’un chauffeur électrique, tous le travail qui entre sort sous forme de chaleur => η = (Qs/We) = 1
Pour une machine thermique, le même principe précédent peut être appliqué à un dispositif qui transforme de la chaleur en travail.
Machine thermique :
I. Introduction:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Une machine thermique est un dispositif qui, en fonctionnant sous forme cyclique, prend de la chaleur d’une source chaude, réalise un certain travail (dont une partie est utilisée pour faire fonctionner la machine elle-même) et libère de la chaleur vers une source froide, qui est normalement, l’ambiance.
Exemple : Machine à vapeur utilisée dans les centrales électriques
Source chaude
Qe
Source froide
(Ambiance)
Ws
Qs
We
II. Cycle de Carnot:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
C’est un cycle thermodynamique conçu, étudié et développé par l’ingénieur français Nicolas Carnot au XIXème siècle.
C’est le cycle de base de tous les moteurs thermiques, pour lequel :
Le cycle de Carnot est un cycle théorique et réversible (si on engage des petits changements dans l’ambiance, on peut concevoir le trajectoire inverse), sa limite est la capacité que présente un système pour convertir en chaleur le travail, il est utilisé dans les machines qui utilisent de la vapeur ou un mélange de combustible avec air ou oxygène.
Définition :
II. Cycle de Carnot:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
En pratique, c’est impossible de concevoir un tel cycle vu que tous les processus qui se produisent dans la nature sont irréversibles, mais l’étude de ce dernier est très utile puisqu’il nous donne la valeur du rendement maximum que peut obtenir une machine.
1-2
2-3
3-4
4-1
II. Cycle de Carnot:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Présentation :
Sur le diagramme (p,V)
Sur le diagramme (T,S)
Le cycle se divise en quatre étapes, chacune desquelles correspond à une transformation thermodynamique de base.
Etape 1-2 : Expansion isotherme
C’est un processus isotherme et étant un gaz parfait qui rend que la température reste constante TC.
II. Cycle de Carnot:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Le gaz se trouve à l’état d’équilibre initial présenté par P1, V1, T1, à l’intérieur du cylindre (T1 = TC=chaud=Hot).
A-B
Suite à une expansion isothermique entre 1 et 2, le gaz atteint les valeurs P2, V2, TC :
Etape 2-3 :
Expansion adiabatique (Le gaz passe de l’état 2 à l’état 3).
2-3
II. Cycle de Carnot:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Puisqu’il s’agit d’un processus adiabatique, il n’existe pas de transfert de chaleur, le gaz doit réaliser un travail, ce qui soulève le piston, pour lequel le cylindre doit être isolé thermiquement, atteignant les valeurs P3, V3 et TF .
(*)
Etape 3-4 : Compression isotherme
Le gaz passe de l’état 3 à l’état 4.
3-4
Entre les états 3 et 4, le gaz atteint les valeurs P4, V4 et TF.
II. Cycle de Carnot:
Cours : Thermodynamique
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Etape 4-1 : compression adiabatique
Le gaz passe de l’état 4 à l’état 1 fermant ainsi le cycle.
On atteigne de nouveau les valeurs P1, V1 et TC sans transfert de chaleur avec le milieu extérieur.
4-1
Le second principe donne :
II. Cycle de Carnot:
Cours : Thermodynamique
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Or:
Donc:
: La machine fournit du travail
LE SENS DU PARCOURS DU CYCLE EST IMPORTANT
Sens horaire: W < 0 : La machine produit du travail.
Sens antihoraire: W > 0 : La machine consomme du travail.
Le rendement du cycle de Carnot est donné alors en utilisant la même expression donnée avant :
Cette dernière expression montre que le rendement théorique pour tous les moteurs de Carnot est indépendant du fluide ou combustible utilisé.
II. Cycle de Carnot:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Application 1:
Soit un moteur thermique à gaz parfait qui décrit un cycle de Carnot. Le système au cours du cycle échange une quantité de chaleur Q1 avec la source chaude de température T1, Q2 avec la source froide de température T2 et un travail W avec le milieu extérieur.
2. On donne :
III. Réfrigérateurs, Climatiseurs, et pompe à chaleur:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Comme la chaleur s’écoulera spontanément seulement à partir d’une grande température vers une plus petite, elle se peut faire passer de l’autre chemin si du travail se fait sur le système.
Les réfrigérateurs, les climatiseurs et les pompes à chaleur tous utilisent un travail pour transférer la chaleur d’un objet froid vers un objet chaud.
Plus grande la chaleur cédée vers la cuisine que celle retirée de la source froide.
III. Réfrigérateurs, Climatiseurs, et pompe à chaleur:
Cours : Thermodynamique
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Heat pump : Pompe à chaleur
h: Hot (Chaude)
c: Cold (froid)
Compresseur
Condenseur
III. Réfrigérateurs, Climatiseurs, et pompe à chaleur:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Réfrigérateurs :
Un réfrigérateur idéal sera donc celui qui retirera la plus grande chaleur de l’intérieur Qc tout en nécessitant la plus petite quantité de travail W.
Ce rapport est appelé le coefficient de performance COP:
C’est un coefficient sans unité.
Les réfrigérateurs typiques ont un COP entre 2 et 6. Plus grande sera la valeur mieux fonctionnera le réfrigérateur.
Suivant le théorème de Carnot, une machine frigorifique ne peut jamais avoir un COP supérieur à celui d’une machine idéale qui fonctionne avec un cycle inverse de Carnot, c’est un cycle réversible.
Suivant le premier principe :
Donc : or :
Alors :
III. Réfrigérateurs, Climatiseurs, et pompe à chaleur:
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Donc :
Finalement :
Donc, le COP de la machine frigorifique est toujours inférieur à celui d’une machine idéale qui fonctionne avec un cycle inverse de Carnot COPc, donné par :
avec :
Climatiseur :
Un climatiseur est essentiellement identique à un réfrigérateur, la source froide est l’intérieur de la maison et la source chaude est l’extérieur.
Pompe à chaleur :
Enfin, une pompe à chaleur est identique à un climatiseur, sauf que les réservoirs sont inversés. La chaleur est retirée du réservoir froid à l'extérieur et épuisée dans la maison, en la réchauffant.
Notez que le travail de la pompe contribue réellement au résultat souhaité (une maison plus chaude) dans ce cas.
IV. Moteurs à Combustion interne :
Cours : Thermodynamique
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Les moteurs 2 temps et les moteurs 4 temps
IV. Moteurs à Combustion interne :
Cours : Thermodynamique
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AP2/ S4
Bielles + Pistons
Bloc moteur
Vilebrequin
Cylindre
IV. Moteurs à Combustion interne :
Cours : Thermodynamique
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Fonctionnement
Admission
Compression
Échappement
Combustion / détente
Introduction d’un mélange air/essence durant la descente du piston
Remontée du piston comprimant le mélange dans la chambre de combustion
La bougie produit une étincelle : la combustion se produit. Les gaz chauds repoussent le piston, initiant le mouvement
Évacuation des gaz brûlés dans l’échappement
IV. Moteurs à Combustion interne :
Cours : Thermodynamique
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Moteur à deux temps :
Caractéristiques
Les moteurs 2 temps utilisent les 2 cotés du piston :
- La partie supérieure pour les phases de compression et de combustion : 2ème temps
- La partie inférieure pour assurer le transfert des gaz : l’admission et l’échappement : 1er temps
Admission / Échappement
Partie inférieure
Compression Combustion
Partie supérieure
IV. Moteurs à Combustion interne :
Cours : Thermodynamique
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Moteur à 4 temps :
Caractéristiques
1
2
3
4
Le moteur 4 temps utilisent les 4 phases indépendamment les unes des autres :
- L’admission et l’échappement étant assuré par l’ouverture de soupapes
- Durant les phases de compression et de combustion, les soupapes sont maintenues fermées