Moteurs thermiques

Les moteurs thermiques en thermodynamique

La chaleur est le transfert d'énergie thermique d'une température plus élevée à une température plus basse. Dans les moteurs thermiques, on y parvient en faisant circuler la chaleur d'un réservoir chaud à un réservoir froid. Les moteurs à essence, les moteurs diesel, les moteurs à réaction et les turbines à vapeur sont tous des exemples de moteurs thermiques.

Aussi incroyable que cela puisse paraître, le premier moteur thermique répertorié a été inventé par Héron d'Alexandrie en 50 après J.-C., mais il n'était considéré à l'époque que comme une nouveauté ou un jouet. Il afalluattendre la révolution industrielle pour que les moteurs thermiques deviennent des appareils utiles. La machine à vapeur a été rendue utile au 18ème siècle et a été rapidement utilisée comme source d'énergie. Lemoteur à combustion interne a suivi à la fin du 19e siècle, qui était à bien des égards une amélioration par rapport au moteur à vapeur. Sans le moteur thermique, de nombreux conforts et technologies de notre monde moderne seraient impossibles.

Types de moteurs thermiques

Les moteurs thermiques peuvent être classés en deux catégories. Le premier est le moteur à combustion externe, dans lequel la combustion du carburant transfère la chaleur à un liquide externe, qui génère alors un travail utile par son mouvement lorsqu'il se dilate. La machine à vapeur en est un exemple. Ici, une source de combustible telle que le charbon ou le bois est brûlée pour chauffer de l'eau (liquide externe) dans une chaudière. Cela produit de la vapeur qui peut alors effectuer un travail mécanique utile pour alimenter le moteur.

Dans un moteur à combustion interne, la combustion du carburant se produit à l'intérieur du système. Les moteurs à combustion interne sont généralement plus efficaces que les moteurs à combustion externe, car ils convertissent directement l'énergie thermique du carburant en travail mécanique. Par exemple, le moteur thermique d'une voiture enflamme l'essence ou le diesel à l'aide d'une bougie d'allumage pour générer un travail mécanique utile.

Exemples de moteurs thermiques

Dans cette section, nous allons aborder quelques exemples d'applications réelles du moteur thermique, de l'Antiquité à l'ère moderne, pour les moteurs à combustion interne et externe.

Moteur à combustion externe

Reconstruction de l'aeolipile de Heron, wikimediacommons.org

Pour comprendre les bases du fonctionnement d'un moteur thermique, il serait bon de commencer par le commencement et de jeter un coup d'œil surlapremière machine à vapeur de Héron d'Alexandrie. Héron l'a baptisée aeolipile ou boule à vent. La conception était simple : il a placé un chaudron d'eau (qui servait de réservoir chaud) au-dessus d'un feu. Sous l'effet de la chaleur, l'eau s'est rapidement transformée en vapeur. La vapeur s'élève alors par deux tuyaux dans une sphère creuse située au sommet, où deux buses coudées sur la sphère permettent à la vapeur de s'échapper. La vapeur expulsée a généré une poussée comme une fusée, forçant la sphère à tourner. Tout l'environnement extérieur, dans ce cas, a agi comme un réservoir froid dans lequel la chaleur s'est écoulée.

Une machine à vapeur victorienne.

Les locomotives à vapeur ont été rendues largement obsolètes par l'électricité et le moteur à combustion interne. Les trains à vapeur, par exemple, sont aujourd'hui relégués aux transports patrimoniaux ou aux attractions touristiques. Cependant, la vapeur est encore largement utilisée à l'échelle industrielle pour produire de l'électricité. L'eau est chauffée à partir d'une source de chaleur dans une chaudière (réservoir chaud), qui transforme l'eau en vapeur, laquelle est ensuite utilisée pour faire tourner une turbine en s'élevant. C'est un exemple de moteur thermique, dans lequel l'énergie thermique est convertie en travail mécanique. La turbine qui tourne entraîne ensuite un générateur électrique qui produit de l'électricité pour notre usage.

Schéma d'une turbine à vapeur typique utilisée pour produire de l'électricité, commons.wikimedia.org

La vapeur est ensuite refroidie pour redevenir de l'eau à l'intérieur d'un condenseur (réservoir froid) après avoir entraîné la turbine. Ceci est avantageux pour deux raisons. Tout d'abord, plus la différence de température entre les réservoirs chaud et froid (chaudière et condenseur) est importante, plus la chaleur circule rapidement entre eux. Cela signifie que la vapeur voyagera plus vite et, par conséquent, entraînera la turbine plus rapidement, produisant ainsi plus d'électricité. Deuxièmement, en condensant la vapeur en eau, nous pouvons réutiliser cette eau pour la chaudière. Ces deux points améliorent considérablement l'efficacité du moteur thermique.

Moteur à combustion interne

Parlonsdu moteur à combustion interne qui t'est probablement le plus familier, la voiture à essence. Le moteur à combustion interne de la voiture brûle l'essence directement dans la chambre de combustion (réservoir chaud). Une partie de l'énergie de la combustion est ensuite convertie en travail utile. La plupart des moteurs à essence sont des moteurs à quatre temps, ce qui signifie que quatre coups de piston sont nécessaires pour effectuer un cycle complet du moteur.

Le cycle à quatre temps d'un moteur à combustion interne, commons.wikimedia.org

Tout d'abord, pendant la course d'admission, la soupape d'admission est ouverte pour permettre au carburant et à l'air du réservoir de carburant d'entrer dans le cylindre de travail. L'étape suivante du processus est la course de compression. Les deux soupapes se ferment pour emprisonner le mélange air-carburant à l'intérieur, et le piston monte pour comprimer le mélange dans un petit volume. Ensuite, pendant la course d'allumage, une étincelle électrique provenant de la bougie d'allumage enflamme le carburant, ce qui provoque une expansion rapide et repousse le piston vers le bas. Enfin, pendant la course d'échappement, la soupape d'échappement s'ouvre, ce qui permet aux gaz dilatés de la combustion de s'échapper, puis de répéter le cycle à nouveau.

L'expansion et l'échappement des mélanges à l'intérieur de la chambre de combustion forcent les pistons à se déplacer vers le haut et vers le bas. Le mouvement de ces pistons attachés à des tiges de piston fait ensuite tourner le vilebrequin. En fin de compte, un système d'engrenages danslegroupe motopropulseur de la voiture entraînera les roues du véhicule, provoquant ainsi un mouvement.

Équation du moteur thermique

L'énergie et le carburant sont des ressources de premier ordre dans notre monde moderne, et nous devons trouver des moyens de réduire la consommation d'énergie autant qu'il est raisonnablement possible de le faire. Lorsqu'il y a transfert d'énergie entre des réserves d'énergie (par exemple de l'énergie thermique à l'énergie cinétique dans un moteur thermique), toute l'énergie produite n'est pas transférée en énergie utile. Lorsque l'énergie est transférée dans une réserve non désirée, on parle d'énergie perdue.

L'efficacité d'un système est donnée par l'équation suivante :

$\text{Efficiency}=\frac{\text{Total useful energy produced}}{\text{Total energy supplied}}$

En utilisant les principes de la thermodynamique, les moteurs thermiques ont été conçus pour produire le moins de gaspillage d'énergie possible. Différents moteurs thermiques ont des rendements différents en fonction d'une série de facteurs, tels que leur type, leur conception, leur source de carburant, etc. L'énergie est gaspillée en raison du bruit indésirable produit par le moteur, de la friction entre les pièces mobiles et de la chaleur perdue quin'est pas convertie en travail utile.

L'efficacité d'un moteur thermique, adapté de l'image de Guy Vandegrift CC BY-SA 4.0

Le rendement thermique d'un moteur thermique est donné par :

$\text{Efficiency}=\frac{\text{Useful Work Done by the Engine}}{\text{Energy produced by Engine burning Fuel}}$

Les moteurs à combustion interne sont presque toujours plus efficaces que les moteurs à combustion externe. En général, la transformation directe du carburant en travail mécanique est un processus plus efficace, car les moteurs à combustion externe ont une étape supplémentaire de transfert d'énergie, qui finit toujours par avoir plus d'inefficacité.