Le mal

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Machines thermiques

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Machines thermiques dithermes
I- Définitions
Sources de chaleur ou source thermique : Tout système susceptible d’échanger de l’énergie thermique de manière isotherme. Machine thermique Tout dispositif dans lequel un fluide subit une transformation cyclique. On distingue deux types de machines thermiques : Moteurs thermiques : qui, après un cycle de fonctionnement,fournissent du travail au milieu extérieur (W < 0 ) , tout en recevant de l’énergie thermique (chaleur) ( Q > 0 ) .
Q>0
Moteur

W 0 ) en fournissant de la chaleur ( Q < 0 ) .

W >0

Réfrigérateur & pompe à chaleur

Q 0, Q fo < 0 ) . Cf. figure.1
Qc A Qco

−W Figure.1
Q fo

−W

Qf Qc = −Q f − W

−T f S p
−Tc S p

Qc = −

Tc Qf −W Tf

Cette machine thermique prélève, donc,de la chaleur à une source chaude, tout en fournissant du travail au milieu extérieur « l’environnement » et fournit de la chaleur à une source froide.
La chaîne énergétique ci-dessous décrit le fonctionnement d’une telle machine ditherme « moteur thermique » :

W 0 Qf < 0

Tc

Machine thermique

Tf

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Machines thermiques32

2ème cas : Machine frigorifique ou pompe à chaleur (W > 0 ) Le point de fonctionnement a pour coordonnées ( Qco < 0, Q fo > 0 ) . Cf. figure.2

T Qc = − c Q f − W Tf
Qc = −Q f − W

Qc

−W

Q fo

Qf

Figure.2

−T f S p

−Tc S p

−W

Qco

A

Cette machine thermique prélève, donc, de la chaleur à une source froide, reçoit du travail du milieu extérieur « l’environnement» et fournit de la chaleur à une source chaude.
La chaîne énergétique ci-dessous décrit le fonctionnement de telles machines :

W >0 Qc < 0
Machine frigorifique & pompe à chaleur

Tc

Qf > 0

Tf

Remarques

Réfrigérateur : la source froide est l'intérieur du réfrigérateur et elle reçoit de la chaleur de son environnement (le contenu se réchauffe si on arrête cet appareil !). Lamachine thermique prélève donc de la chaleur à l'intérieur du réfrigérateur et en fournit à la source chaude (la grille située à l'arrière de cet appareil est en effet très chaude !). Climatiseur : la machine prélève de la chaleur à la pièce réfrigérée (cette pièce se réchaufferait en raison des fuites thermiques si on coupait la climatisation !) et fournit de la chaleur à la source chaude, extérieureà la pièce. L'intérêt peut être aussi de maintenir la source chaude à une température élevée : pompe à chaleur. Dans le cas des machines réelles, l’énergie des sources n’est pas toujours constante et leur température varie : mise en route, ouverture de la porte, introduction

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d’aliments dans leréfrigérateur ; mise en route, ouverture de la porte ou des fenêtres dans une pièce climatisée ou chauffée.

La machine fournit de la chaleur à la source chaude, la pièce (sa température baisserait en raison des fuites thermiques si on arrêtait la pompe à chaleur) et en prélève à la source froide située à l'extérieur. Toutes ces machines reçoivent du travail électrique du réseau . 2. Cycle de Carnot C’estun cycle réversible décrit par une machine ditherme. Il est constitué de deux isothermes, de températures égales à celles des sources , & de deux portions d’adiabatiques séparant les deux isothermes.
p

Diagramme de Clapeyron
Qc Tc Adiabatiques Tc

T

Diagramme (T,S)

Tf Tf Qf

V

S

S1
Q=∫ TdS > 0 & W = −∫ pdV < 0 ⇒ cycle moteur

S2

cycle

cycle

C’est un cycle moteur «décrit dans le sens des aiguilles d’une montre, dans le plan de Clapyron » . C’est un cycle de fonctionnement ‘un moteur idéal « possède le meilleur rendement faisable pour un travail donné » . 3. Efficacité ou rendement Compte tenu de la vocation de la machine, on définit son rendement par :
Transfert d'énergie utile Gain = Transfert d'énergie dépensée pou la faire fonctionner Cout

η=...
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