Machines thermiques
Les différents types de machine thermique
Introduction
Définition : une machine thermique est un système permettant d’échanger travail et chaleur.
On s’intéresse à un système thermodynamique en fonctionnement cyclique.
Cycles monothermes : W Q (Kelvin)
Cycles dithermes, schéma symbolique :
( )
Application des deux principes au fonctionnement du système
1er principe : 
2nd principe : inégalité de Clausius 
Diagramme de Raveau :
Zone :  ,  , 
Le système reçoit Q1 et le transforme en travail –W et chaleur –Q2 cédés au milieu extérieur et à la source froide. Ce type de système est appelé un moteur thermique.
Zone :  , ,
Type de fonctionnement inutile : on fournit un travail pour faire un transfert de chaleur d’une source chaude vers une source froide.
Zone : ,  ,
Fonctionnement aussi inutile : un cycle monotherme suffit pour transformer du travail en chaleur.
Zone : , , 
Transfert de chaleur d’une source froide vers une source chaude grâce à un travail. Ce type de système est une machine frigorifique.
Moteur thermique
Théorème de Carnot
Le rendement r d’un moteur réel est inférieur au rendement rrév du moteur réversible fonctionnant entre les deux mêmes sources de chaleur.
 , quel que soit le principe de fonctionnement du moteur thermique.
Démonstration :
1er principe : 
2nd principe : 
Pour un moteur réversible, 
Si le cycle est irréversible :
 , mais 
Donc 
Exemple : centrale nucléaire
On considère comme système le sodium liquide. La source chaude est le cœur du réacteur, siège de la réaction de fission, la source froide est une rivière ou la mer.
T1 = 700K, T2 = 300K
 (Les 43% restant sont cédés à la source froide)
Moteur à explosion quatre temps
Principe de fonctionnement
1er temps : admission du mélange air–essence
2ème temps : compression (adiabatique car rapide)
3ème temps : explosion et détente
4ème temps : échappement
Diagramme de Watt
Le système est le gaz situé à l’intérieur de la chambre de combustion (système non fermé, donc différent du diagramme de Clapeyron).
Cycle de Beau de Rochas (fonctionnement idéalisé du moteur à quatre temps)
1) admission à P constante
2) compression adiabatique, réversible (pour pouvoir la représenter)
3) explosion instantanée isochore puis détente adiabatique réversible
4) évacuation à P constante
Bilan énergétique
Seul le cycle ABCDA participe aux échanges énergétiques.
On considère le système air+essence dans la chambre de combustion, fermé (pendant le cycle) ; on considère ce mélange comme un gaz parfait, avec  indépendant de T
Pour le cycle :
 : chaleur libérée par l’explosion de l’essence (payé)
 : chaleur cédée à la source froide (atmosphère extérieure)
Les transformations AB et CD sont adiabatiques réversibles.
Donc, d’après la loi de Laplace, on a :
Donc 
Application numérique :
Pour a = 9 et  on a r = 58,5%
Machines frigorifiques
Principe de fonctionnement
Différents moyens de produire du « froid » :
Détente isotherme d’un gaz parfait
Vaporisation d’un liquide.
Principe : augmentation de Tvap avec la pression :
Le système étudié est un fluide existant sous forme liquide ou gazeuse
Réfrigérateur et climatiseur
Efficacité du réfrigérateur 
Pour un fonctionnement réversible :
Application numérique :
Pour T2 = 260K (congélateur) et T1 = 300K, on a 
Si la transformation est irréversible, 
Pompe à chaleur
Utilisation d’une machine frigorifique pour chauffer un appartement.
Efficacité 
Application numérique :
T1 = 300K et T2 = 280K, on a  |
