Ameliorer le rendement thermodynamique des moteurs

Ameliorer le rendement thermodynamique des moteurs
La Thermodynamique est une branche de la physique qui étudie la production d’un déplacement à partir d’énergie sous forme de chaleur.

Les molécules de tous les corps vibrent, en principe dans toutes les directions. Ce mouvement désordonné est l’énergie sous forme de chaleur. Il est facile d’obtenir de la chaleur à partir d’un travail, par exemple en se frottant les mains !

Pour obtenir de l’énergie sous forme de travail à partir de la chaleur, il faut donner un sens à ce mouvement désordonné en contraignant les molécules à se déplacer vers une direction à l’aide d’une machine. Transformer de la chaleur en travail est donc donner un ordre à la matière.

C’est au moment de l’invention de la machine à vapeur qu’il a fallu mieux comprendre la nature de la Chaleur, du Travail et de la Température .

Nicolas Léonard Sadi Carnot fut le premier à poser les bases du fonctionnement des machines thermiques.

Les implications des découvertes théoriques vont bien au delà de la théorie du fonctionnement des moteurs. Toute la physique et la chimie utilisent les principes de la thermodynamique.

Pourtant, la validité des principes de la thermodynamique est limitée au monde macroscopique.

Ce site n’aborde qu’une petite partie de cette science : l’évaluation du rendement des cycles des moteurs qui transforment la chaleur en travail.

Pour transformer de la chaleur en travail, on peut changer le volume d’un corps en le chauffant ou en le refroidissant et utiliser ce changement pour pousser sur un autre corps.

Par exemple, si on chauffe une barre de métal, la longueur de la barre augmente.

On peut imaginer un dispositif qui utiliserait cette augmentation pour produire un travail utile.

Le thermomètre à liquide est un exemple ou l’on contraint les molécules d’un liquide à ce déplacer dans une seule direction.

La dilatation des molécules provoque une élévation du volume et le déplacement du liquide.

Mais dans ces deux cas, on n’a pas construit de moteur car lorsque la température ne varie plus le déplacement cesse.

Si on remplace la barre par un gaz, il peut pousser un piston.

La dilatation des molécules provoque une élévation de la pression et le déplacement du piston.

Pour que ce dispositif fonctionne, il faut prévoir un retour du gaz à son état initial et constituer un cycle moteur.

Image German Wikipedia A. Schierwagen using OpenOffice Draw moteur 2 temps A. Schierwagen using OpenOffice Draw
Une autre solution afin de produire du travail à partir de la chaleur est la cocotte minute.

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Cocotte minute
Dans une turbine, un gaz est détendu et mis en vitesse.

Comme dans une aile d'avion ou dans une hélice, le gaz ayant une vitesse relative vis à vis de l'élément profilé, change de direction. Cela provoque une poussée.
Comme dans une aile d’avion ou dans une hélice, le gaz ayant une vitesse relative vis à vis de l’élément profilé, change de direction.
Cela provoque une poussée.

En bleu les aubages fixes donnent une direction tangentielle à la vapeur mise en vitesse. En rouge les aubages mobiles sont entraînés par la poussée qui en résulte. Les aubages fixes suivants redirigeront ensuite la vapeur vers l'étage suivant
En bleu les aubages fixes donnent une direction tangentielle à la vapeur mise en vitesse. En rouge les aubages mobiles sont entraînés par la poussée qui en résulte. Les aubages fixes suivants redirigeront ensuite la vapeur vers l’étage aval.

Les turbines à vapeur sont utilisées dans les centrales de production d’électricité dites "thermiques". Elles permettent la transformation de l’énergie cinétique de la vapeur en énergie mécanique.

On distingue les centrales thermiques classiques ( charbon, fioul, gaz) et les centrales nucléaires. Pourtant, seule la façon de produire la chaleur est différente. La transformation de chaleur en travail est faite par une turbine à vapeur identique dans son principe de fonctionnement.

Améliorer le rendement de ces moteurs est un enjeu économique important.

Il existe maintenant des centrales à cycle combiné qui ont un rendement de 60%.

On considère souvent, et à mon avis à tort, que ce rendement est un maximum possible. Ceci est une interprétation erronée du principe de Carnot.

Je propose l’utilisation de cycles de Carnot partiels pour évaluer les cycles régénératifs.
Voir également la version avec le calcul complet en fichier pdf
Cette nouvelle méthode de détermination du facteur de Carnot pour les cycles régénératifs est publiée aux éditions Sciencelib Auteur : Alain Duparquet Publié le : 2013-11-13 Volume : 5 N° : 131105
sous le titre "nouvelle méthode de détermination du facteur de Carnot concernant les cycles régénératifs"