Sadi Carnot, (1796-1832) physicien et ingénieur français, entreprit d'étudier, de modéliser le fonctionnement et les performances des machines thermique.Car curieusement en pleine révolution industrielle la mise au point de ce type de moteur était plutôt empirique, les principes physiques de son fonctionnement étaient largement ignorés.
Son travail est à l'origine quelques années plus tard de la naissance de la thermodynamique.
Le cycle de Carnot, simplement.
(Ici nous nous arrêterons à une démonstration simple sans notion de rendement.)
Le principe général du cycle de Carnot démontre qu'une machine thermique (moteur à vapeur, à essence, etc) ne peut fonctionner qu'en utilisant deux sources de chaleur,une source chaude et une source froide. Donc les moteurs thermiques que nous connaissont convertissent de façon cyclique la chaleur en travail mécanique, mais sans pourtant convertir à 100% cette énergie en travail (pertes).
Sadi Carnot mit en lumière vers 1824 un cycle idéal, qui stipule que les échanges de la source chaude vers la source froide permettent de fournir un travail mécanique.
Ce processus cyclique utilise un gaz parfait, un piston mobile se déplaçant dans un cylindre sans frottement mécanique, et deux sources distinctes une source chaude et une source froide.
Le travail fourni par le cycle de Carnot est le résultat de deux transformations isothermes et de deux transformations adiabatiques.
Plus exactement durant cette suite des transformations , le gaz subit :
- Une compression et une détente isothermes(qui se produisent à température constante)
- Une compression et une détente adiabatiques(qui se produisent sans échange de chaleur)
Le diagramme de Claperton (Pression/Volume) ci-dessous permet de visualiser le cycle (réversible) de carnot.
A-B
Détente isotherme, les molécules de gaz sont soumisent à la température T1 (source chaude), le gaz absorbe la chaleur de la source chaude. La pression descend et le volume augmente.Le piston effectue un travail positif.
B-C
Détente adiabatique, la source chaude est supprimée, la pression descend et le volume augmente, au point C la température est égale à T2.
C-D
Compression isotherme, Le gaz est soumis à la température T2 (source froide), le gaz cède de la chaleur à la source froide.La pression monte et le volume descend.Le piston effectue un travail négatif.
D-A
Compression adiabatique, la source froide est supprimée, la pression monte , le volume se réduit.La température augmente jusqu'a atteindre T1.
Le travail noté W est égale à la surface comprise entre les points ABCD, c'est le travail total effectué par le piston, égal à la quantité de chaleur mise en jeu pendant ce cycle.
Moteur thermique et pompe à chaleur
L'écoulement naturel de la chaleur d'effectue toujours spontanément d'un corps chaud vers un corps froid (Clausius).
Sur le dessin à gauche le moteur thermique tel que décrit plus haut suivant le principe de Carnot.
A droite, la pompe à chaleur qui peut être définie comme une machine permettant de réaliser l'écoulement inverse du sens naturel. Ce transfert thermique est assuré par un compresseur qui permet en utilisant un fluide frigorifique d'absorber la chaleur contenue dans une source froide (eau,air,terre) pour la restituée dans une source chaude (circuit de chauffage) en élévant sa température par le travail de compression.
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