Worldlex Wiki cycle de Carnot
c = {\displaystyle c=} T {\displaystyle T} ∂ S {\displaystyle \partial S} N {\displaystyle N} ∂ T {\displaystyle \partial T} Compressibilité β = − {\displaystyle \beta =-} 1 {\d...
cycle thermodynamique idéal proposé par le physicien français Sadi Carnot en 1824 et développé par d'autres dans les années 1830 et 1840. D'après le théorème de Carnot , il fournit une limite supérieure à l' efficacité de toute machine thermodynamique classique lors de la conversion de chaleur en travail , ou inversement, à l'efficacité d'un système frigorifique pour créer une différence de température par l'application d'un travail au système.
Dans un cycle de Carnot, un système ou un moteur transfère de l'énergie sous forme de chaleur entre deux sources thermiques à des températures T<sub> H</sub> et T<sub> C </sub> (appelées respectivement sources chaude et froide). Une partie de cette énergie transférée est convertie en travail fourni par le système. Le cycle est réversible : il s'agit d'un simple transfert d'énergie thermique entre les sources thermiques et le système, sans gain ni perte. Lorsqu'un travail est fourni au système, la chaleur se déplace de la source froide vers la source chaude ( pompe à chaleur ou système frigorifique ). Lorsque la chaleur se déplace de la source chaude vers la source froide, le système fournit un travail à l'environnement. Le travail W fourni par le système ou le moteur à l'environnement par cycle de Carnot dépend des températures des sources thermiques pour chaque cycle, selon la formule cycle thermodynamique idéal réalisé par un moteur thermique de Carnot , comprenant les étapes suivantes :
Détente isotherme . La chaleur (sous forme d'énergie) est transférée de manière réversible d'une source chaude à température constante T<sub> H </sub> au gaz à une température infinitésimale inférieure à T<sub> H </sub>. (Cette différence de température infinitésimale permet le transfert de chaleur au gaz sans variation significative de sa température. On parle alors d'apport ou d'absorption de chaleur isotherme .) Durant cette étape (1 à 2 sur la figure 1 ), le gaz est en contact thermique avec la source chaude et isolé thermiquement de la source froide. Le gaz se détend, effectuant un travail sur le milieu extérieur en repoussant le piston (figure de droite, étape 1). Bien que la pression chute entre les points 1 et 2 (figure 1), la température du gaz reste constante car la chaleur transférée de la source chaude est exactement utilisée par le gaz pour effectuer un travail sur le milieu extérieur. L'énergie interne et la température du gaz demeurent inchangées. De la chaleur Q<sub> H</sub> > 0 est absorbée de la source chaude.
Détente adiabatique réversible du gaz (travail fourni). Lors de cette étape (2 à 3 sur la figure 1 ), le gaz contenu dans le moteur est isolé thermiquement des sources chaude et froide ; il ne gagne ni ne perd donc de chaleur. Il s'agit d'un processus adiabatique . Le gaz continue de se détendre avec une diminution de sa pression, effectuant un travail sur le milieu extérieur (remontée du piston ; figure de droite de l'étape 2) et perdant une quantité d'énergie interne égale au travail fourni. Cette perte d'énergie interne provoque le refroidissement du gaz. Lors de cette étape, il est refroidi à une température infinitésimale supérieure à la température de la source froide T<sub> C</sub> .
Compression isotherme. La chaleur est transférée de manière réversible à la source froide à température constante T<sub> C</sub> (rejet de chaleur isotherme). Lors de cette étape (3 à 4 sur la figure 1 ), le gaz contenu dans le moteur est en contact thermique avec la source froide à la température T<sub> C</sub> et est isolé thermiquement de la source chaude. La température du gaz est légèrement supérieure à T<sub> C</sub> afin de permettre le transfert de chaleur du gaz vers la source froide. Il n'y a pas de variation de température ; il s'agit d'un processus isotherme . L'environnement effectue un travail sur le gaz, repoussant le piston vers le bas (figure de la troisième étape, à droite). Une quantité d'énergie récupérée par le gaz grâce à ce travail est transférée sous forme de chaleur Q<sub> C </sub> < 0 (négative car elle quitte le système, conformément à la convention universelle en thermodynamique ) à la source froide.
Compression (rapport 4:1 sur la figure 1 ). Le gaz contenu dans le moteur est à nouveau isolé thermiquement des réservoirs chaud et froid. On suppose que le moteur est sans frottement et que le processus est suffisamment lent pour être réversible. Durant cette étape, l'environnement effectue un travail sur le gaz, repoussant le piston vers le bas (figure de l'étape 4, à droite), ce qui augmente son énergie interne, le comprime et provoque une remontée de sa température jusqu'à une valeur infinitésimale inférieure à T<sub> H </sub>, du seul fait du travail fourni au système. À ce stade, le gaz se trouve dans le même état qu'au début de l'étape 1.
où
- température absolue du réservoir froid, et
- T<sub> H</sub> est la température absolue du réservoir chaud.
Le rendement d'un moteur thermique de Carnot est défini comme le rapport entre le travail fourni par le moteur et l'énergie thermique reçue du réservoir chaud par cycle. Cette énergie thermique est l'initiateur du cycle.
Cycle de Carnot inversé
Le cycle de Carnot décrit ici est un cycle totalement réversible. Autrement dit, tous les processus qui le composent peuvent être inversés, auquel cas il devient le cycle de Carnot pour pompe à chaleur et réfrigération . Dans ce cas, le cycle reste exactement le même, à l'exception du sens des échanges de chaleur et de travail. La chaleur est absorbée par la source froide, elle est rejetée vers la source chaude, et un apport de travail est nécessaire pour réaliser toutes ces opérations. Le diagramme P - V du cycle de Carnot inversé est identique à celui du cycle de Carnot, à ceci près que le sens des processus est inversé.
Théorème de Carnot
Dans les moteurs thermiques mésoscopiques , le travail par cycle fluctue généralement en raison du bruit thermique. Si le cycle est quasi-statique, ces fluctuations s'annulent, même à l'échelle mésoscopique . Cependant, si le cycle est plus rapide que le temps de relaxation du fluide de travail, les fluctuations de travail sont inévitables. Néanmoins, en tenant compte des fluctuations de travail et de chaleur, une égalité exacte relie la moyenne exponentielle du travail fourni par un moteur thermique au transfert de chaleur du bain thermique plus chaud
Rendement des moteurs thermiques réels
Cela permet d'illustrer, par exemple, pourquoi un réchauffeur ou un régénérateur peut améliorer le rendement thermique des centrales à vapeur en augmentant la valeur de T<sub> H </sub> et pourquoi le rendement thermique des centrales à cycle combiné (qui intègrent des turbines à gaz fonctionnant à des températures encore plus élevées) dépasse celui des centrales à vapeur classiques. Le premier prototype du moteur diesel était basé sur les principes du cycle de Carnot.