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1 L E S M A C H I N E S T H E R M I Q U E S I- Généralité sur les machines ther

1 L E S M A C H I N E S T H E R M I Q U E S I- Généralité sur les machines thermiques 1- Définition Une machine thermique est un dispositif qui réalise une conversion de l’énergie dont l’une est de l’énergie thermique échangée dans un sens ou dans l’autre. La machine thermique a absolument besoin d’une ou de deux sources de chaleur (Une source chaude et une source froide) pour fonctionner. L’organe qui permet de faire cette conversion est appelé agent thermique (filament, résistance, fluide thermique etc ). L’étude va se limiter aux machines dithermes (machines utilisant deux sources de chaleur) avec un fluide comme agent thermique 2- Principe : L’agent thermique (l’air, le fréon, la vapeur d’eau, hydrogène, butane, Azote …), passe d’un état initial à un état final identique à l’état initial, après diverses transformations. La transformation globale est cyclique - Au cours de chaque transformation, le fluide échange de l’énergie (du travail W et/ou de la chaleur Q ) avec le milieu extérieur. Le milieu extérieur est constitue de : - une source froide de chaleur, - une source chaude de chaleur, - un système mécanique quelconque (échangeant du travail avec le fluide.) La notion de « Froid » ou « Chaud » n’a ici rien à voir avec la sensation. Une source de chaleur idéale est appelé thermostat. 3- Classification : Il existe plusieurs critères de classement . On vous demande de donner l’énoncé de chacun des critères ci-dessous. -- critère 1 ? 1- machines monothermes 2 – machines dithermes -- critère 2 ? 1- machines à combustion interne 2- machines à combustion externe -- critère 3 ? 1- machines à gaz 2- machines à essence. 3- machines diesel 4- machines à poudre -- critère 4 ? 1- machines à piston alternatif 2- machines à piston rotatif 3 - turbomachines -- critère 5 ? 1- machines 2 temps 2- machines 4 temps. 4. Caractéristiques et grandeurs 2 Dans la machine, les grandeurs d’état de l’agent thermique ( température, pression, volume massique etc…) évoluent de manière continue . Le système ∑ (l’Agent thermique ) reçoit algébriquement au cours du cycle - Une grandeur QF : (quantité de chaleur échangée avec la source froide), - Une grandeur QC (quantité de chaleur échangée avec la source chaude) - Une grandeur W . (travail échangé avec l’extérieur) On note TF : Temperature de la source froide), TC : Temperature de avec la source chaude) Et on pose : TC > TF . Les machines thermiques sont classées en 2 grandes familles : -Si W > 0, la machine est un récepteur. - Si W < 0, la machine est un moteur. 5- Les différents cas rencontrés L’agent thermique , en régime permanent peut réaliser l’une des actions ci dessous: 1· il fournit du travail au milieu extérieur -- > la machine est appelée un moteur thermique; W < 0 2· il reçoit du travail du milieu extérieur -- > elle est appelée récepteur thermique.W > 0 3· fournit de la chaleur à une source chaude -- > c’est une pompe à chaleur 4· prend de la chaleur à une source chaude. : -- > c’est un réfroidisseur ou un échangeur 5. fournit de la chaleur à une source froide : -- > c’est un radiateur (réchauffeur) 6. prend de la chaleur à une source froide -- > c’est un réfrigérateur (frigo, clim, liquéfacteur de gaz) Remarque 1 : 3, 4, 5 et 6 sont des récepteurs. Ils ont besoin de travail mécanique pour fonctionner Une machines frigorifique (ou frigo) est en même temps récepteur et réfrigérateur. Une turbine est un moteur Remarque 2 : Les fonctions marchent nécessairement en binomes : chaque machine remplit 2 fonctions donc une seule est sa raison d’être, si on prend en compte ce que désire l’utilisateur. Exemple : Une machine thermique pour le Chauffage d’ une piscine par temps froid. ( Tpiscine > Tatmosphere ) . La fonction 3 implique forcément la fonction 6 qui n’est pas la fonction visée . La chaleur est tirée de l’atmosphère qui est alors une source froide Si vous installez une piscine a Tambacounda , le problème est tout autre 4- Schéma de principe QC , QF et W sont des valeurs algébriques. Elles sont positives si elles sont reçues par le système. Négatives si elles sont cédées par le système. TC et TF sont exprimes en Kelvin) 3 5- Calcul des échanges de chaleur et de travail Pour déterminer les quantités de chaleur et de travail échangées dans un cycle, on se base sur les 2 principes de la thermodynamique. le premier principe pour un cycle: U = 0 « principe de la conservation de l’énergie ». La variation de l’énergie interne U est nulle. Conséquence : La somme algébrique de toutes les énergies échangées avec l’exterieur est nulle W + Σ Qi = 0 - - le second principe pour un cycle: « principe d’évolution ou « Inégalité de Clausius ». La variation de L’entropie totale est nulle. S = 0 Conséquence : La variation de l’entropie échangée avec les sources dans un cycle est négative Explication : La variation de l’entropie échangée de facon interne dans un cycle (ou Entropie créee) est toujours positive et la variation de l’entropie totale dans un cycle est nulle : S = 0 Or S = Scrée + S échangée Un systeme en transformation crée toujours de l’entropie interne qui est positive (frottements, diffusion ,..) Un système isolé ne peut jamais revenir à son état initial. - Cas d’une machine ditherme Il faut poser : et - Cas d’une machine monotherme : Comme il y a une seule source Q , sa temp. est notée T Il faut poser : W + Q = 0 ; et où T > 0 (C’est une T° absolue) T > 0 ---> Q < 0---> Un système monotherme cède toujours de la chaleur. Il reçoit toujours du travail. Enoncé de Kelvin du second principe: un système qui subit une transformation cyclique monotherme reçoit nécessairement du travail ( ) et fournit nécessairement de la chaleur ( ). Il ne peut pas etre moteur thermique. Conséquence: Il est impossible de créer du travail à partir d’une seule source de chaleur d’où l’impossibilité du mouvement perpétuel de seconde espèce (celui qui ferait qu'un sous marin pourrait puiser de l'énergie à la mer et fournir du travail pour avancer, puis rejeter la chaleur dans l’eau de mer). Nous allons restreindre notre étude aux cas des machines thermiques dithermes. 4 Fig : Schéma de principed’une machine monotherme -Cas particulier :machine ditherme qui n’échange pas de travail. Dans le cas particulier où W = 0 --- > QC= -QF Comme TC> TF ---- > Qc est forcément positif et QF est forcément négatif La chaleur passe spontanément du corps chaud au corps froid en transitant par le système. Pas besoin de travail pour ça 7- Les machines dithermes Fig : Schéma de principe d’une machine ditherme 7- Rappel sur l’entropie Définition L'entropie d'un système quelconque est une fonction d'état S, extensive, de différentielle dS= dQ/T, où dQ est la quantité de chaleur reçue de façonréversible par un système thermodynamique(à la température T). Tous les processus macroscopiques réels sont irréversibles ; par conséquent, dans une machine thermodynamique réelle (industrielle), l’ensemble des transformations du cycle décrites par le fluide sont irréversibles. Cette irréversibilité a des conséquences sur les différentséchanges d’énergie, en particulier sur ceux qui seront utiles (récupérables). L’ entropie", est la fonction qui rend compte de l’irréversibilité des transformations réelles. Propriété : L’entropieSd'un système isoléenévolutionestunefonctiond'étatcroissante.Conséquence: - silatransformationestréversible,lavariationd'entropieestnulle.S = 0 - si la transformation est irréversible, la variation d'entropie est positive . S > 0Il y a création d’entropie uploads/Industriel/ les-machines-thermiques-4-1.pdf