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Sauter à un chapitre clé
Le transfert de chaleur ne se produit naturellement que des corps à température plus élevée vers les corps à température plus basse, mais jamais dans le sens inverse.
L'entropie d'un système isolé ne diminue jamais, car les systèmes isolés tendent à atteindre l'équilibre thermodynamique, qui est un état d'entropie maximale.
Un exemple quotidien de la première expression de la deuxième loi de la thermodynamique est celui d'une boisson chaude qui se refroidit et transfère de l'énergie thermique à la température ambiante en raison de la température plus basse de son environnement.
La première loi de la thermodynamique stipule que l'énergie nette d'un système isolé est constante. L'énergie ne peut donc pas être créée ou détruite, mais seulement changer de forme. Cela s'exprime mathématiquement en disant que la chaleur qui est fournie à un système est égale à la somme du changement d'énergie interne du système et du travail effectué par le système.
Par conséquent, le mouvement perpétuel, c'est-à-dire le mouvement qui se poursuit sans qu'aucun apport d'énergie ne soit nécessaire pour le maintenir, est, selon la première et la deuxième loi de la thermodynamique, impossible.
L'entropie est une grandeur qui démontre l'impossibilité de convertir l'énergie thermique en travail mécanique.
Les limites de la première et de la deuxième loi de la thermodynamique :
La première loi ne précise pas le sens du flux de chaleur ni si un processus est spontané ou non.
Selon la deuxième loi, la chaleur circule d'un corps à température élevée vers un corps à température plus basse. Le processus inverse n'est pas possible. Dans la pratique, la chaleur ne se transforme pas non plus complètement en travail.
Qu'est-ce qu'un moteur thermique ?
En thermodynamique, les moteurs thermiques sont des systèmes qui convertissent l'énergie thermique ou la chaleur en travail mécanique. Les moteurs à essence et diesel, les moteurs à réaction et les turbines à vapeur sont des exemples de moteurs thermiques, qui convertissent tous l'énergie thermique en travail mécanique, en utilisant une partie du transfert de chaleur de la combustion.
Le principe de fonctionnement de base d'un moteur thermique comprend un gaz dans un cylindre comprimé par un piston. Lorsque le gaz contenu dans le cylindre est chauffé, il se dilate, augmentant ainsi le volume, ce qui entraîne le déplacement du piston et la transformation de la chaleur en travail. Lorsque le gaz atteint un équilibre, le piston s'arrête de bouger. Pour continuer à produire du travail, le moteur doit utiliser des cycles caractérisés par un mouvement continu de va-et-vient du piston. Pour ce faire, le piston se refroidit et réduit le volume, ce qui le fait redescendre. Par conséquent, un mouvement cyclique de chauffage et de refroidissement est nécessaire pour la production continue de travail dans un moteur thermique.
Les moteurs thermiques et la deuxième loi de la thermodynamique
Étant donné le principe de fonctionnement d'un moteur thermique, la possibilité de travailler nécessite la coopération d'un puits de chaleur et d'une source de chaleur.
Un puits de chaleur et une source de chaleur sont nécessaires pour qu'un transfert d'énergie thermique se produise, car une source de chaleur est plus chaude que le puits de chaleur, ce qui permet à l'énergie thermique d'être transférée de la source au puits.
C'est ce que montre la figure 1, qui illustre un transfert de chaleur se produisant loin de l'objet chaud (QH) et dans l'objet froid (Qc). Le diagramme montre également le travail effectué par le moteur (W) en raison du transfert de chaleur entre la source et le puits.TH est la température du corps chaud ou du réservoir chaud, tandis queTC est la température du corps à plus basse température ou du réservoir froid.
Le diagramme est exprimé mathématiquement dans l'équation ci-dessous, où le travail effectué par le moteur thermique (W) mesuré en joules est égal à la différence entre le transfert de chaleur du réservoir chaud QHet du réservoir froidQC.
\[Q_H \rightarrow W + Q_C \qquad W = Q_H - Q_C\]
Les moteurs thermiques fonctionnent donc selon la deuxième loi de la thermodynamique et ne peuvent pas être expliqués uniquement par la première loi, qui ne fait pas référence à la direction de la chaleur.
La deuxième loi s'exprime en termes d'entropie, qui augmente toujours. Il n'est donc pas possible , dans un processus cyclique, de convertir entièrement la chaleur en travail, car cela signifierait que le système retourne à son état initial, ce qui est exclu par la deuxième loi sous sa deuxième forme.
Un processus cyclique est un processus répétitif qui ramène toujours le système à son état initial.
Qu'est-ce que le rendement d'un moteur ?
Le rendement d'un moteur est une mesure de la quantité d'énergie d'entrée qui est convertie en travail mécanique. Pour une efficacité maximale du moteur, le travail effectué par le moteur doit être égal à la chaleur transférée par l'évier, ce qui signifie qu'aucune chaleur n'est perdue dans l'environnement. Cependant, cela n'est pas possible dans la pratique, car il y aura toujours une certaine perte d'énergie dans l'environnement. Le rendement d'un moteur est donc toujours inférieur à 100 %.
Le rendement (η) peut être calculé à l'aide de l'équation ci-dessous comme une fraction du travail (W) par rapport à la chaleur transférée au puits de chaleur (QH) et peut être converti en pourcentage en le multipliant par 100.
\[\eta = \frac{W}{Q_H} \text{ ou } \eta_{\%}= \frac{W}{Q_H} \cdot 100\]
Comme le travail est la différence entre l'apport de chaleur (QH) et la perte de chaleur (QC), l'efficacité peut être réécrite, comme on le voit ci-dessous. Le rendement peut être compris entre 0 % et 100 % (uniquement siQC est égal à zéro, ce qui est pratiquement impossible). La formule ci-dessous peut être utilisée pour les moteurs cycliques.
\[\eta = \frac{Q_H -Q_C}{Q_H} = 1 - \frac{Q_C}{Q_H}\]
Moteur de Carnot
Un moteur de Carnot fonctionne sur la base du cycle de Carn ot découvert par Sadi Carnot. Le cycle de Carnot est un cycle idéal qui offre une efficacité maximale. Le principe de Carnot stipule qu'aucun autre type de moteur thermique fonctionnant entre une source de chaleur et un puits de chaleur ne peut être plus efficace qu'un moteur de Carnot réversible fonctionnant dans les mêmes conditions.
Le rendement d'un moteur réversible est supérieur à celui de tout moteur irréversible, car les moteurs réversibles fonctionnant selon le cycle de Carnot ne perdent pas d'énergie si le processus est inversé, alors que les moteurs irréversibles perdent de l'énergie en cas de fonctionnement inversé.
- Un processus est considéré comme irréversible lorsque l'énergie est perdue sous forme de chaleur en raison du frottement.
- Un processus est considéré comme réversible lorsque l'énergie est perdue sous forme de chaleur en raison du phénomène naturel de transfert de chaleur dû à une différence de température entre deux corps. L'énergie circule d'un corps chaud vers un corps plus froid.
Le cycle de Carnot est représenté sur la figure 2 ci-dessous dans un diagramme p-v où un transfert de chaleur QH se produit pendant le trajet isotherme AB, tandis qu'un transfert de chaleurQC se produit pendant le trajet isotherme CD. Le travail total effectué (W) peut être trouvé en utilisant la surface à l'intérieur de la forme ABCD.
Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique théorique idéal. C'est un cycle réversible qui comprend quatre étapes consécutives avant de revenir à son état initial. Les quatre étapes comprennent l'expansion isotherme, l'expansion adiabatique, la compression isotherme et la compression adiabatique.
Un processus isotherme est un processus dans lequel la température reste constante.
Un processus adiabatique est un processus qui ne transfère aucune masse ou énergie à son environnement.
Pour les moteurs idéaux, le rendement de Carnot ou rendement maximal est donné par la formule ci-dessous, oùTH et TC sont respectivement les températures de la source et du puits, en kelvins. Ce rendement est l'efficacité maximale atteinte par un moteur thermique idéal réversible fonctionnant selon le cycle de Carnot. Dans la réalité, cependant, les moteurs thermiques fonctionnent avec un rendement beaucoup plus faible que le rendement de Carnot.
\[\eta = 1- \frac{T_C}{T_H}\]
Pour qu'un moteur atteigne son efficacité maximale, il doit donc fonctionner sur un cycle réversible dans lequel aucune énergie n'est perdue à cause des frottements. On peut déduire de cette équation que le rendement est maximal lorsque le moteur fonctionne avec la plus grande différence de température possible. Lorsque la différence de température est maximale, la chaleur est transférée plus rapidement et le moteur effectue plus de travail.
La deuxième loi de la thermodynamique a de nombreuses applications, qui incluent les moteurs à vapeur, les moteurs à combustion interne (moteurs à essence et diesel), les moteurs à turbine à gaz et les centrales de production d'électricité.
Une centrale électrique transfère 5⋅1012 J de chaleur à partir du charbon et 1,8⋅1012 J à l'environnement. Détermine le travail fourni par le moteur de la centrale électrique et le rendement de la centrale.
Pour déterminer le travail fourni, nous devons tenir compte du transfert de chaleur entre la source et le puits. Dans ce cas, la source est le charbon et le puits est l'environnement. Par conséquent, la production de travail est donnée par la différence de transfert de chaleur entre les deux réservoirs.
\N- [W = Q_H - Q_C \N- \Nquad W = 5 \Ncdot 10^{12} - 1,8 \cdot 10^{12} = 3,2 \cdot 10^{12} J\]
Pour déterminer le rendement, il faut calculer la fraction du travail fourni par rapport au transfert de chaleur de la source.
\[\eta = \frac{W}{Q_H} = \frac{3,2 \cdot 10^{12}}{5 \cdot 10^{12}} = 0,64 \qquad \eta_{\%} = 0,64 \cdot 100= 64\%\]
La puissance d'un moteur
La puissance de sortie (P) d'un moteur thermique est définie comme le travail effectué par le moteur par unité de temps en secondes, comme le montre l'équation ci-dessous. Plus la puissance de sortie est élevée, plus le travail effectué par le moteur est important. La puissance est mesurée en watts.
\[P = \frac{W}{t}\]
Détermine la puissance de sortie d'un moteur thermique qui produit 1500J de travail par cycle lorsque le temps nécessaire pour effectuer un cycle est de 0,45 seconde.
\[P = \frac{W}{t} = \frac{1500}{0,45} = 3333 W\]
Deuxième loi et moteurs - Points clés à retenir
- Les moteurs thermiques fonctionnent sur la base de la deuxième loi de la thermodynamique.
- La deuxième loi de la thermodynamique traite de la direction du flux de chaleur.
- Le rendement maximal d'un moteur thermique est le rendement de Carnot.
- La puissance d'un moteur thermique est le travail effectué par unité de temps.
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