Machine thermique
En ingénierie et en thermodynamique, un moteur thermique convertit l'énergie thermique en travail mécanique en utilisant la différence de température entre une "source" chaude et un "puits" froid. La chaleur est transférée de la source, à travers le "corps de travail" du moteur, vers le "puits", et dans ce processus, une partie de la chaleur se transforme en travail en utilisant les qualités du gaz ou du liquide à l'intérieur du moteur.
Il existe de nombreux types de moteurs thermiques. Chacun a un cycle thermodynamique. Les moteurs thermiques sont souvent nommés d'après le cycle thermodynamique qu'ils utilisent, comme le cycle de Carnot. Ils reprennent souvent des noms courants, tels que moteurs à essence, à turbine ou à vapeur.
Les moteurs à combustion interne génèrent de la chaleur à l'intérieur du moteur lui-même. D'autres moteurs thermiques peuvent absorber de la chaleur provenant d'une source externe. Les moteurs thermiques peuvent être ouverts à l'air ou fermés et scellés à l'extérieur (c'est ce qu'on appelle un cycle ouvert ou fermé).
Figure 1 : Schéma du moteur thermique. TH est la source de chaleur et TC le puits de froid. QH est la chaleur qui s'écoule dans le moteur. QC est la chaleur perdue qui va dans le puits de froid. W est le travail utile qui sort du moteur.
Vue d'ensemble
Lorsque les scientifiques étudient les moteurs thermiques, ils trouvent des idées de moteurs qui ne peuvent pas être réellement construits. On les appelle des moteurs ou des cycles idéaux. Les vrais moteurs thermiques sont souvent confondus avec les moteurs ou cycles idéaux qu'ils tentent d'imiter.
En général, le terme "moteur" est utilisé pour décrire le dispositif physique. Pour décrire l'idéal, on utilise le terme "cycle".
On pourrait dire que le cycle thermodynamique est un cas idéal du moteur mécanique. On pourrait également dire que le modèle ne correspond pas tout à fait au moteur mécanique. Toutefois, les modèles simplifiés et les cas idéaux qu'ils peuvent représenter présentent de nombreux avantages.
D'une manière générale, plus la différence de température entre la source chaude et le puits froid est importante, plus le cycle ou le moteur est efficace. Sur Terre, le côté froid de tout moteur thermique est limité à la température de l'air de l'endroit où se trouve le moteur.
La plupart des efforts visant à améliorer l'efficacité des moteurs thermiques consistent à augmenter la température de la source de chaleur, mais à des températures très élevées, le métal du moteur commence à ramollir.
L'efficacité des différents moteurs thermiques proposés ou utilisés aujourd'hui va de 3 % (97 % de chaleur perdue) pour la proposition d'énergie océanique de l'OTEC, à 25 % pour la plupart des moteurs automobiles, à 45 % pour une centrale au charbon supercritique, à environ 60 % pour une turbine à gaz à cycle combiné refroidie à la vapeur. Tous ces procédés gagnent en efficacité (ou en manque d'efficacité) grâce à la baisse de température qui les traverse.
Le moins efficace, l'OTEC, utilise la différence de température entre l'eau de l'océan à la surface et l'eau de l'océan en profondeur, une petite différence de peut-être 25 degrés Celsius, et donc l'efficacité doit être faible.
La plus efficace, la turbine à gaz à cycle combiné, brûle du gaz naturel pour chauffer l'air à près de 1530 degrés Celsius, soit une grande différence de température de 1500 degrés Celsius, et donc l'efficacité peut être très importante lorsque le cycle de refroidissement à la vapeur est ajouté.
Des exemples quotidiens
Les gens utilisent principalement des moteurs thermiques où la chaleur provient d'un feu qui dilate un fluide de travail (généralement de l'eau ou de l'air) et le puits de chaleur est soit une masse d'eau, soit l'atmosphère comme dans une tour de refroidissement.
Parmi les plus connus qui utilisent l'expansion des gaz chauffés, on trouve : le moteur à vapeur, le moteur diesel et le moteur à essence dans une automobile.
Le moteur Stirling est beaucoup plus rare, mais on le trouve dans de petits modèles qui peuvent supporter la chaleur d'une main.
L'oiseau qui boit est une sorte de moteur thermique jouet.
Une bande bimétallique est un dispositif qui convertit la température en mouvement mécanique et qui est utilisé dans les thermostats pour contrôler la température. C'est un moteur thermique qui n'utilise ni liquide ni gaz.
Pages connexes
- Pompe à chaleur
Questions et réponses
Q : Qu'est-ce qu'un moteur thermique en ingénierie et en thermodynamique ?
R : Un moteur thermique est un dispositif qui convertit l'énergie thermique en travail mécanique en utilisant la différence de température entre une "source" chaude et un "puits" froid.
Q : Comment fonctionne un moteur thermique ?
R : La chaleur est transférée de la source au puits en passant par le corps du moteur. Au cours de ce processus, une partie de la chaleur est convertie en travail en utilisant les propriétés du gaz ou du liquide à l'intérieur du moteur.
Q : Quels sont les cycles thermodynamiques associés aux moteurs thermiques ?
R : Il existe de nombreux types de moteurs thermiques, chacun ayant un cycle thermodynamique spécifique. Ils sont nommés d'après le cycle thermodynamique qu'ils utilisent, comme le cycle de Carnot.
Q : Quels sont les exemples de moteurs thermiques nommés d'après des objets de la vie courante ?
R : Les moteurs à essence, les moteurs à turbine et les moteurs à vapeur sont des exemples de moteurs thermiques portant le nom d'objets de la vie courante.
Q : Comment les moteurs à combustion interne produisent-ils de la chaleur ?
R : Les moteurs à combustion interne produisent de la chaleur à l'intérieur même du moteur.
Q : Les moteurs thermiques peuvent-ils être ouverts à l'air libre ?
R : Oui, les moteurs thermiques peuvent être ouverts à l'air libre ou scellés et fermés à l'extérieur. C'est ce qu'on appelle un cycle ouvert ou fermé.
Q : Tous les moteurs thermiques absorbent-ils la chaleur d'une source extérieure ?
R : Non, si certains moteurs thermiques peuvent absorber la chaleur d'une source externe, d'autres peuvent générer de la chaleur à l'intérieur même du moteur.
