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moteur thermique

Figure 1 : Schéma du moteur thermique c = {\displaystyle c=} T {\displaystyle T} ∂ S {\displaystyle \partial S} N {\displaystyle N} ∂ T {\displaystyle \partial T} Compressibilit...

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Figure 1 : Schéma du moteur thermique

Un moteur thermique est un système qui convertit l'énergie thermique en travail mécanique ou électrique . Initialement conçu pour l'énergie mécanique, le concept de moteur thermique a été appliqué à diverses autres formes d'énergie, notamment électrique , depuis au moins la fin du XIXe siècle. Le moteur thermique fonctionne en abaissant la température d'un fluide caloporteur. Une source de chaleur fournit l'énergie thermique nécessaire pour porter le fluide caloporteur à la température initiale. Ce fluide effectue un travail au sein du corps actif du moteur tout en cédant de la chaleur à un corps froid jusqu'à atteindre la température initiale. Au cours de ce processus, une partie de l'énergie thermique est convertie en travail grâce aux propriétés du fluide caloporteur. Ce dernier peut être n'importe quel système possédant une capacité thermique non nulle , mais il s'agit généralement d'un gaz ou d'un liquide. Durant ce processus, une partie de la chaleur est généralement dissipée dans l'environnement et n'est pas convertie en travail. De plus, dans un moteur mécanique, une partie de l'énergie est inutilisable en raison des frottements et de la résistance de l'air .

De manière générale, un moteur est toute machine qui convertit de l'énergie en travail mécanique . Les moteurs thermiques se distinguent des autres types de moteurs par le fait que leur rendement est fondamentalement limité par le théorème de Carnot de la thermodynamique . Bien que cette limitation de rendement puisse constituer un inconvénient, un avantage des moteurs thermiques réside dans le fait que la plupart des formes d'énergie peuvent être facilement converties en chaleur par des processus tels que les réactions exothermiques (comme la combustion), la fission nucléaire , l'absorption de lumière ou de particules énergétiques, le frottement , la dissipation et la résistance . Puisque la source de chaleur qui fournit l'énergie thermique au moteur peut ainsi être alimentée par pratiquement n'importe quel type d'énergie, les moteurs thermiques trouvent de nombreuses applications.

On confond souvent les moteurs thermiques avec les cycles qu'ils mettent en œuvre. Généralement, le terme « moteur » désigne un dispositif physique et « cycle » les modèles ; ainsi, par exemple, un moteur diesel est une machine qui met en œuvre le cycle Diesel .

thermodynamique , les moteurs thermiques sont souvent modélisés à l'aide d'un modèle d'ingénierie standard tel que le cycle d'Otto . Le modèle théorique peut être affiné et enrichi de données réelles issues d'un moteur en fonctionnement, grâce à des outils comme le diagramme indicateur . Étant donné que très peu de moteurs thermiques réalisés correspondent exactement à leurs cycles thermodynamiques sous-jacents, on pourrait dire qu'un cycle thermodynamique représente un cas idéal de moteur mécanique. Quoi qu'il en soit, la compréhension complète d'un moteur et de son rendement requiert une bonne connaissance du modèle théorique (éventuellement simplifié ou idéalisé), des spécificités pratiques d'un moteur mécanique réel et des écarts entre les deux.

De manière générale, plus l'écart de température entre la source chaude et le puits froid est important, plus le rendement thermique potentiel du cycle est élevé. Sur Terre, la température du côté froid d'un moteur thermique est limitée à une valeur proche de la température ambiante, ou ne peut être inférieure à 300 kelvins . Par conséquent, la plupart des efforts visant à améliorer le rendement thermodynamique des moteurs thermiques se concentrent sur l'augmentation de la température de la source, dans les limites des matériaux. Le rendement théorique maximal d'un moteur thermique (qu'aucun moteur n'atteint jamais) est égal à la différence de température entre les extrémités chaude et froide divisée par la température de l'extrémité chaude, ces deux valeurs étant exprimées en température absolue .

Le rendement des différents moteurs thermiques proposés ou utilisés aujourd'hui présente une grande variabilité :

3 % (97 % de chaleur résiduelle utilisant de la chaleur de faible qualité) pour la proposition de centrale thermique océanique par conversion de l'énergie thermique des océans (OTEC)
25% pour la plupart des moteurs à essence automobiles
49 % pour une centrale électrique au charbon supercritique comme la centrale d'Avedøre
50 % et plus pour les moteurs diesel marins à deux temps à basse vitesse
60 % pour une turbine à gaz à cycle combiné

L'efficacité de ces procédés est à peu près proportionnelle à la chute de température qui les traverse. Une part importante de l'énergie peut être consommée par les équipements auxiliaires, tels que les pompes, ce qui réduit de fait leur efficacité.

Exemples

Bien que certains cycles présentent un emplacement de combustion typique (interne ou externe), ils peuvent souvent être mis en œuvre avec l'autre. Par exemple, John Ericsson a développé un moteur à chauffage externe fonctionnant selon un cycle très similaire à l'ancien cycle Diesel . De plus, les moteurs à chauffage externe peuvent souvent fonctionner en cycle ouvert ou fermé. Dans un cycle fermé, le fluide de travail est retenu dans le moteur à la fin du cycle, tandis que dans un cycle ouvert, le fluide de travail est soit échangé avec l'environnement avec les produits de combustion dans le cas d'un moteur à combustion interne, soit simplement rejeté dans l'environnement dans le cas de moteurs à combustion externe comme les machines à vapeur et les turbines .

Exemples quotidiens

Parmi les exemples courants de moteurs thermiques, on peut citer les centrales thermiques , les moteurs à combustion interne , les armes à feu , les réfrigérateurs et les pompes à chaleur . Les centrales thermiques sont des exemples de moteurs thermiques fonctionnant dans le sens direct : la chaleur circule d'une source chaude vers une source froide pour produire du travail. Les réfrigérateurs, les climatiseurs et les pompes à chaleur sont des exemples de moteurs thermiques fonctionnant dans le sens inverse ; ils utilisent du travail pour convertir l'énergie thermique d'une source froide en chaleur, et ce, plus efficacement que par simple conversion du travail en chaleur (par frottement ou résistance électrique). Les réfrigérateurs extraient la chaleur d'une enceinte thermiquement étanche à basse température et rejettent la chaleur résiduelle à une température plus élevée dans l'environnement. Les pompes à chaleur, quant à elles, captent la chaleur de l'environnement froid et la diffusent dans une enceinte thermiquement étanche (une maison) à température plus élevée.

De manière générale, les moteurs thermiques exploitent les propriétés thermiques liées à la dilatation et à la compression des gaz selon les lois des gaz ou les propriétés liées aux changements de phase entre les états gazeux et liquide.

moteur thermique de la Terre

L'atmosphère et l'hydrosphère terrestres — le moteur thermique de la Terre — sont des processus couplés qui équilibrent constamment les déséquilibres du chauffage solaire grâce à l'évaporation de l'eau de surface, la convection, les précipitations, les vents et la circulation océanique, tout en distribuant la chaleur autour du globe.

Une cellule de Hadley est un exemple de moteur thermique. Elle implique la montée d'air chaud et humide dans la région équatoriale de la Terre et la descente d'air plus froid dans les régions subtropicales, créant une circulation directe thermique, avec pour conséquence une production nette d'énergie cinétique.

Cycles de changement de phase

Dans les cycles et moteurs à changement de phase , les fluides de travail sont des gaz et des liquides. Le moteur convertit le fluide de travail de l'état gazeux à l'état liquide, de l'état liquide à l'état gazeux, ou les deux, générant ainsi du travail par détente ou compression du fluide.

Cycle de Rankine ( machine à vapeur classique )
Cycle régénératif ( machine à vapeur plus efficace que le cycle de Rankine )
Cycle de Rankine organique (fluide frigorigène changeant de phase dans les plages de température de la glace et de l'eau liquide chaude)
Cycle vapeur-liquide ( oiseau buveur , injecteur , roue Minto )
Cycle liquide-solide ( soulèvement dû au gel – l’eau passant de l’état de glace à l’état liquide et inversement peut soulever la roche jusqu’à 60 cm).
Cycle solide-gaz ( armes à feu – les propergols solides brûlent en gaz chauds).

Cycles à essence uniquement

Dans ces cycles et moteurs, le fluide de travail est toujours un gaz (c'est-à-dire qu'il n'y a pas de changement de phase) :

Cycle de Carnot ( moteur thermique de Carnot )
Cycle Ericsson (Vaisseau calorique John Ericsson)
Cycle de Stirling ( moteur Stirling , dispositifs thermoacoustiques )
Moteur à combustion interne (MCI) :
- Cycle Otto (ex. moteur à essence )
- Cycle Diesel (ex. moteur Diesel )
- Cycle Atkinson (moteur Atkinson)
- cycle de Brayton ou cycle de Joule, à l'origine cycle Ericsson ( turbine à gaz )
- cycle de Lenoir (par exemple, moteur à réaction pulsée )
- Cycle Miller (moteur Miller)

cycles liquides uniquement

Dans ces cycles et moteurs, le fluide de travail est toujours à l'état liquide :

Cycle de Stirling ( moteur de Malone )

Cycles électroniques

Convertisseur d'énergie thermoélectrique Johnson
Thermoélectrique ( effet Peltier-Seebeck )
Cellule thermogalvanique
émission thermoïonique
Moteur thermo-magnétique (Tesla)

Cycles utilisés pour la réfrigération

Un réfrigérateur domestique est un exemple de pompe à chaleur : un moteur thermique fonctionnant à l’envers. L’énergie est utilisée pour créer une différence de température. De nombreux cycles peuvent fonctionner en sens inverse pour transférer la chaleur du côté froid vers le côté chaud, refroidissant ainsi le côté froid et réchauffant le côté chaud. Les versions de ces cycles utilisées dans les moteurs à combustion interne ne sont, par nature, pas réversibles.

Les cycles de réfrigération comprennent :

moteurs thermiques à évaporation

Le moteur à évaporation Barton est un moteur thermique basé sur un cycle produisant de l'énergie et de l'air humide refroidi par évaporation de l'eau dans de l'air chaud et sec.

moteurs thermiques mésoscopiques

Les moteurs thermiques mésoscopiques sont des dispositifs nanométriques capables de traiter des flux de chaleur et de réaliser un travail utile à petite échelle. Parmi leurs applications potentielles, on peut citer les dispositifs de refroidissement électrique. Dans ces moteurs thermiques mésoscopiques, le travail par cycle de fonctionnement fluctue en raison du bruit thermique. Il existe une égalité exacte reliant la moyenne des exposants du travail effectué par un moteur thermique et le transfert de chaleur depuis le bain thermique plus chaud . Cette relation transforme l'inégalité de Carnot en une égalité exacte. Cette relation est également une égalité de cycle de Carnot.

Efficacité

Le rendement d'un moteur thermique indique la quantité de travail utile produite pour une quantité donnée d'énergie thermique fournie.

D'après les lois de la thermodynamique , après un cycle complet :

et par conséquent

où

$Le travail net est le travail extrait du moteur en un cycle. (Il est négatif, selon la convention IUPAC, puisque le moteur effectue un travail .)$
0 " $0 Q_{h} > 0$ 0 Il s'agit de l'énergie thermique prélevée de la source de chaleur à haute température environnante au cours d'un cycle. (Elle est positive car de l'énergie thermique est ajoutée au moteur.)
$Il s'agit de la chaleur résiduelle cédée par le moteur au dissipateur thermique froid. (Elle est négative puisque le moteur perd de la chaleur au profit du dissipateur.)$

Autrement dit, un moteur thermique absorbe l'énergie thermique d'une source de chaleur à haute température, en convertissant une partie en travail utile et en rejetant le reste sous forme de chaleur résiduelle vers un dissipateur thermique à basse température.

En général, l'efficacité d'un processus de transfert de chaleur donné est définie par le rapport entre la quantité de chaleur extraite et la quantité de chaleur fournie. (Pour un réfrigérateur ou une pompe à chaleur, que l'on peut considérer comme un moteur thermique fonctionnant en sens inverse, il s'agit du coefficient de performance , qui est supérieur ou égal à 1.) Dans le cas d'un moteur, on souhaite extraire du travail et il faut donc fournir de la chaleur. $, par exemple par combustion d'un carburant, de sorte que le rendement du moteur est raisonnablement défini comme$

Le rendement est inférieur à 100 % en raison de la chaleur perdue. $inévitablement perdue à cause du refroidissement (et du travail de compression correspondant) lors de la recompression nécessaire à basse température avant que la course motrice du moteur puisse se produire à nouveau.$

Le rendement maximal théorique d'un moteur thermique dépend uniquement des températures entre lesquelles il fonctionne. Ce rendement est généralement calculé à l'aide d'un moteur thermique idéal, tel que le moteur de Carnot , bien que d'autres moteurs utilisant des cycles différents puissent également atteindre un rendement maximal. Mathématiquement, après un cycle complet, la variation d'entropie globale est nulle.

Noter que $est positif car la détente isotherme lors de la course motrice augmente la multiplicité du fluide de travail, tandis que est négatif car la recompression diminue la multiplicité. Si le moteur est idéal et fonctionne de manière réversible, et, et donc$

ce qui donne $et donc la limite de Carnot pour le rendement des moteurs thermiques,$

où $est la température absolue de la source chaude et celle du dissipateur froid, généralement mesurée en kelvins .$

Le raisonnement qui sous-tend le fait que ce rendement soit maximal est le suivant. On suppose d'abord que si un moteur thermique plus efficace qu'un moteur de Carnot est possible, il pourrait fonctionner en sens inverse comme une pompe à chaleur. Une analyse mathématique permet de démontrer que cette combinaison hypothétique entraînerait une diminution nette de l' entropie . Puisque, d'après le second principe de la thermodynamique , cela est statistiquement improbable au point d'être exclu, le rendement de Carnot constitue une limite supérieure théorique du rendement fiable de tout cycle thermodynamique.

Empiriquement, aucun moteur thermique n'a jamais démontré un rendement supérieur à celui d'un moteur thermique à cycle de Carnot.

Les figures 2 et 3 illustrent les variations du rendement du cycle de Carnot en fonction de la température. La figure 2 montre comment le rendement évolue avec l'augmentation de la température d'apport de chaleur pour une température d'entrée du compresseur constante. La figure 3 montre comment le rendement évolue avec l'augmentation de la température de rejet de chaleur pour une température d'entrée de la turbine constante.

moteurs thermiques endoréversibles

Par définition, tout cycle de Carnot à rendement maximal doit fonctionner à un gradient de température infinitésimal ; en effet, tout transfert de chaleur entre deux corps de températures différentes est irréversible, et l’expression du rendement de Carnot n’est donc valable qu’à la limite infinitésimale. Le principal problème réside dans le fait que la plupart des moteurs thermiques ont pour objectif de produire de la puissance, or une puissance infinitésimale est rarement recherchée.

Une autre mesure de l'efficacité idéale d'un moteur thermique est donnée par des considérations de thermodynamique endoréversible , où le système est décomposé en sous-systèmes réversibles, mais avec des interactions non réversibles entre eux. Un exemple classique est le moteur de Curzon-Ahlborn , très similaire à un moteur de Carnot, mais où les réservoirs thermiques sont à température $et peuvent être différentes des températures de la substance subissant le cycle de Carnot réversible : et Les transferts de chaleur entre les réservoirs et la substance sont considérés comme conductifs (et irréversibles) sous la forme Dans ce cas, un compromis doit être trouvé entre la puissance et le rendement. Si le moteur fonctionne très lentement, le flux thermique est faible. et le résultat classique de Carnot est trouvé mais au prix d'une puissance de sortie quasi nulle. Si, en revanche, on choisit de faire fonctionner le moteur à sa puissance maximale, le rendement devient (Remarque : T doit être spécifié en unités absolues de température telles que K ou °R .)$

Ce modèle permet de mieux prédire les performances réelles des moteurs thermiques (Callen 1985, voir aussi la thermodynamique endoréversible ) :

Rendements des centrales électriques
Centrale électrique	$(°C)$	$(°C)$	$(Carnot)$	$(endoréversible)$	$(observé)$
centrale électrique au charbon de West Thurrock (Royaume-Uni)	25	565	0,64	0,40	0,36
Centrale nucléaire CANDU (Canada)	25	300	0,48	0,28	0,30
centrale géothermique de Larderello (Italie)	80	250	0,33	0,178	0,16

Comme on le voit, l'efficacité de Curzon-Ahlborn correspond beaucoup plus aux modèles observés.

Histoire

les turbines à gaz à cycle combiné modernes . Malheureusement, les limites physiques (comme le point de fusion des matériaux de construction du moteur) et les préoccupations environnementales liées aux émissions _de NOₓ (en cas de combustion avec l'air ambiant) limitent la température maximale des moteurs thermiques opérationnels. Les turbines à gaz modernes fonctionnent à des températures aussi élevées que possible dans la plage nécessaire au maintien d' émissions de _NOₓ acceptables . Une autre façon d'améliorer le rendement est d'abaisser la température de sortie. Une méthode récente consiste à utiliser des fluides de travail chimiques mixtes, puis à exploiter l'évolution du comportement de ces mélanges. Le cycle de Kalina , qui utilise un mélange 70/30 d' ammoniac et d'eau comme fluide de travail, est l'un des plus connus. Ce mélange permet au cycle de produire de l'énergie utile à des températures considérablement plus basses que la plupart des autres procédés.

Exploiter les propriétés physiques du fluide de travail. L'exploitation la plus courante consiste à utiliser de l'eau au-dessus de son point critique ( eau supercritique ). Le comportement des fluides au-dessus de leur point critique change radicalement, et avec des matériaux tels que l'eau et le dioxyde de carbone, il est possible d'exploiter ces changements de comportement pour obtenir une meilleure efficacité thermodynamique du moteur thermique, même s'il utilise un cycle de Brayton ou de Rankine relativement classique. Le CO₂ supercritique est un matériau plus récent et très prometteur pour de telles applications _. Le SO₂ _et le xénon ont également été envisagés. Leurs inconvénients incluent des problèmes de corrosion et d'érosion, le comportement chimique différent au-dessus et en dessous du point critique, les hautes pressions nécessaires et – dans le cas du dioxyde de soufre et, dans une moindre mesure, du dioxyde de carbone – la toxicité. Parmi les composés mentionnés, le xénon est le moins adapté à une utilisation dans un réacteur nucléaire en raison de la section efficace d'absorption neutronique élevée de presque tous ses isotopes , tandis que le dioxyde de carbone et l'eau peuvent également servir de modérateur de neutrons pour un réacteur à spectre thermique.

Exploiter les propriétés chimiques du fluide de travail. Une approche relativement nouvelle consiste à utiliser des fluides de travail exotiques aux propriétés chimiques avantageuses. Le dioxyde d'azote (NO₂ ₎ , un composant toxique du smog, en est un exemple. Il possède un dimère naturel, _letétraoxyde de diazote (N₂O₄ ₎ . À basse température, le _N₂O₄ est comprimé puis chauffé. L'augmentation de température provoque la dissociation de chaque molécule de N₂O₄ en deux molécules de NO₂ _. Ceci _diminue la _masse_moléculaire du fluide de travail, ce qui accroît considérablement le rendement du cycle. Une fois détendu dans la turbine, le NO₂ est refroidi par le _dissipateurthermique , ce qui entraîne sa recombinaison en N₂O₄ _._Ce dernier est ensuite réinjecté dans le compresseur pour un nouveau cycle. Des composés tels que le bromure d'aluminium ( Al₂Br₆ _{) ,}_NOCl et Ga₂I₆ _{ont tous été étudiés pour de telles applications. À ce jour, leurs inconvénients n'ont pas justifié leur utilisation, malgré les gains}_de rendement potentiels.

procédés de moteurs thermiques

Les cycles de puissance se déroulent normalement avec une combustion externe ou des cycles de pompe à chaleur :

Les cycles de puissance se déroulent normalement avec la combustion interne :
Bell Coleman	adiabatique	isobare	adiabatique	isobare	Un cycle de Brayton inversé
Carnot	isentropique	isotherme	isentropique	isotherme	Moteur thermique de Carnot
Ericsson	isotherme	isobare	isotherme	isobare	Le deuxième cycle Ericsson de 1853
Rankine	adiabatique	isobare	adiabatique	isobare	machines à vapeur
Hygroscopique	adiabatique	isobare	adiabatique	isobare
Scuderi	adiabatique	pression et volume variables	adiabatique	isochore
Stirling	isotherme	isochore	isotherme	isochore	Moteurs Stirling
Manson	isotherme	isochore	isotherme	isochore puis adiabatique	Moteurs Manson et Manson-Guise
Stoddard	adiabatique	isobare	adiabatique	isobare
Atkinson	isentropique	isochore	isentropique	isochore	Diffère du cycle d'Otto en ce que V ₁ < V ₄ .
Brayton	adiabatique	isobare	adiabatique	isobare	Réacteurs à réaction , turboréacteurs , hélices et arbres d'hélice . Initialement conçus pour les moteurs à pistons, leur version à combustion externe est connue sous le nom de premier cycle Ericsson, datant de 1833.
Diesel	adiabatique	isobare	adiabatique	isochore	Moteur diesel
Humphrey	isentropique	isochore	isentropique	isobare	Shcramjets , moteurs à détonation pulsée et continue
Lenoir		isochore	adiabatique	isobare	Les turboréacteurs pulsés (1→2) assurent à la fois l'évacuation de la chaleur et la compression. Ils ont été initialement développés pour les moteurs à pistons.
Otto	isentropique	isochore	isentropique	isochore	Moteurs à essence

Chaque processus est l'un des suivants :

isotherme (à température constante, maintenue par ajout ou retrait de chaleur à partir d'une source ou d'un puits de chaleur)
isobare (à pression constante)
isométrique/isochore (à volume constant), également appelé isovolumétrique
adiabatique (aucune chaleur n'est ajoutée ou retirée du système au cours d'un processus adiabatique)
isentropique (processus adiabatique réversible, aucune chaleur n'est ajoutée ou retirée au cours d'un processus isentropique)