Qu’est-ce que les cycles thermodynamiques – Définition

Le cycle thermodynamique typique consiste en une série de processus thermodynamiques transférant chaleur et travail. Il existe de nombreux types de cycles thermodynamiques. Génie thermique

Cycles thermodynamiques

En général, la thermodynamique est la science qui traite de la production, du stockage, du transfert et de la conversion d’énergie. Notre objectif ici sera d’introduire la thermodynamique en tant que science de la conversion d’énergie . À l’heure actuelle, les combustibles fossiles constituent encore la principale source d’énergie dans le monde. Mais la combustion de combustibles fossiles ne génère que de l’énergie thermique . C’est pourquoi ces sources d’énergie sont appelées « sources d’énergie primaire », et doivent être converties en source d’énergie secondaire , appelées vecteurs d’énergie ( énergie électrique, etc.). Pour convertir l’énergie thermique en une autre forme d’énergie, un moteur thermique doit être utilisé.

De nombreux moteurs thermiques fonctionnent de manière cyclique , ajoutant de l’énergie sous forme de chaleur dans une partie du cycle et utilisant cette énergie pour effectuer un travail utile dans une autre partie du cycle.

Un processus qui ramène un système à son état initial est appelé un processus cyclique . À la fin d’un cycle, toutes les propriétés ont la même valeur qu’au début. Le cycle thermodynamique typique consiste en une série de processus thermodynamiques transférant la chaleur et le travail, tout en faisant varier la pression, la température et d’autres variables d’état, pour finalement ramener un système à son état initial.

La première loi de la thermodynamique stipule que l’apport de chaleur net est égal à la production de travail nette sur n’importe quel cycle.

L’augmentation de l’énergie interne d’un système fermé est égale à la chaleur fournie au système moins le travail effectué.

IntE int = Q – W

C’est la première loi de la thermodynamique et c’est le principe de la conservation de l’énergie , ce qui signifie que l’ énergie ne peut être ni créée ni détruite , mais plutôt transformée en différentes formes au fur et à mesure que le fluide contenu dans le volume de contrôle est étudié.

C’est la loi la plus importante pour l’analyse de la plupart des systèmes et celle qui quantifie la transformation de l’ énergie thermique en d’autres formes d’énergie .

Les cycles thermodynamiques peuvent être divisés en deux classes principales:

  • Cycles de puissance. Cycles de puissance sont des cycles qui convertissent une chaleur entrée dans un travail mécanique sortie. Les cycles thermodynamiques de puissance sont la base du fonctionnement des moteurs thermiques, qui utilisent la grande majorité des véhicules à moteur et génèrent la majeure partie de l’énergie électrique mondiale.
  • Cycles de pompe à chaleur.  Les cycles de pompe à chaleur transfèrent la chaleur de basse à haute température en utilisant une entrée de travail mécanique . Il n’y a pas de différence entre la thermodynamique des réfrigérateurs et des pompes à chaleur. Les deux fonctionnent en déplaçant la chaleur d’un espace froid vers un espace chaud.

La classification suivante des cycles thermodynamiques est faite en fonction de leurs processus thermodynamiques constitutifs. En pratique, de simples cycles thermodynamiques idéalisés sont généralement constitués de quatre processus thermodynamiques. En général, les processus suivants constituent généralement des cycles thermodynamiques:

Cycle de Carnot

Diagramme pV du cycle de Carnot
Diagramme pV du cycle de Carnot. La zone délimitée par la piste cyclable complète représente le travail total qui peut être effectué pendant un cycle.

Voir aussi: Cycle Carnot

En 1824, un ingénieur et physicien français, Nicolas Léonard Sadi Carnot a fait progresser l’étude de le deuxième principe en formant un principe (également appelé règle de Carnot ) qui précise les limites de l’ efficacité maximale que tout moteur thermique peut obtenir. En bref, ce principe stipule que l’ efficacité d’un cycle thermodynamique dépend uniquement de la différence entre les réservoirs de température chaud et froid.

Le principe de Carnot énonce:

  1. Aucun moteur ne peut être plus efficace qu’un moteur réversible ( un moteur thermique Carnot ) fonctionnant entre les mêmes réservoirs haute température et basse température.
  2. Les rendements de tous les moteurs réversibles (moteurs thermiques Carnot ) fonctionnant entre les mêmes réservoirs à température constante sont les mêmes, quelle que soit la substance de travail utilisée ou les détails de fonctionnement.

Le cycle de ce moteur est appelé cycle de Carnot . Un système soumis à un cycle Carnot est appelé moteur thermique Carnot . Ce n’est pas un cycle thermodynamique réel, mais une construction théorique et ne peut pas être construit en pratique. Tous les processus thermodynamiques réels sont en quelque sorte irréversibles . Ils ne se font pas infiniment lentement et des pas de température infiniment petits sont également une fiction théorique. Par conséquent, les moteurs thermiques doivent avoir des rendements inférieurs aux limites de leur rendement en raison de l’irréversibilité inhérente du cycle du moteur thermique qu’ils utilisent.

Cycle d’Otto

Cycle d'Otto - Diagramme PV
Diagramme pV du cycle d’Otto. La zone délimitée par la piste cyclable complète représente le travail total qui peut être effectué pendant un cycle.

Voir aussi: Cycle Otto

Voir aussi: Cycle Atkinson

Le cycle du moteur Otto est appelé cycle Otto . C’est l’un des cycles thermodynamiques les plus courants que l’on puisse trouver dans les moteurs d’automobiles et décrit le fonctionnement d’un moteur à piston à allumage commandé typique. Contrairement au cycle de Carnot, le cycle d’Otto n’exécute pas de processus isothermes, car ceux-ci doivent être effectués très lentement. Dans un cycle Otto idéal, le système exécutant le cycle subit une série de quatre processus réversibles en interne: deux processus isentropiques (adiabatiques réversibles) alternés avec deux processus isochoriques.

Étant donné que le principe de Carnot stipule qu’aucun moteur ne peut être plus efficace qu’un moteur réversible ( un moteur thermique Carnot ) fonctionnant entre les mêmes réservoirs haute température et basse température, le moteur Otto doit avoir une efficacité inférieure à l’efficacité Carnot. Un moteur automobile à essence typique fonctionne à environ 25% à 30% de l’efficacité thermique. Environ 70 à 75% sont rejetés comme chaleur perdue sans être convertis en travail utile, c’est-à-dire travail livré aux roues.

Cycle diesel

Cycle diesel - Diagramme pV
Cycle diesel – Diagramme pV

Voir aussi: Cycle Diesel

Voir aussi: Dual Cycle

Le cycle diesel est l’un des cycles thermodynamiques les plus courantsque l’on puisse trouver dans les moteurs automobiles et décrit le fonctionnement d’un moteur à piston à allumage par compression typique. Le moteur diesel est similaire en fonctionnement au moteur à essence. La différence la plus importante est que:

  • Il n’y a pas de carburant dans le cylindre au début de la course de compression, donc une auto-inflammation ne se produit pas dans les moteurs Diesel.
  • Le moteur diesel utilise un allumage par compression au lieu d’un allumage commandé.
  • En raison de la température élevée développée pendant la compression adiabatique, le carburant s’enflamme spontanément lors de son injection. Par conséquent, aucune bougie d’allumage n’est nécessaire.
  • Avant le début de la course de puissance, les injecteurs commencent à injecter le carburant directement dans la chambre de combustion et donc la première partie de la course de puissance se produit approximativement à la pression constante.
  • Des taux de compression plus élevés peuvent être atteints dans les moteurs diesel que dans les moteurs Otto

Cycle de Brayton

cycle de Brayton fermé - Diagramme pV
cycle de Brayton fermé

Voir aussi: Cycle de Brayton

Voir aussi: Cycle Ericsson

En 1872, un ingénieur américain, George Bailey Brayton, a fait progresser l’étude des moteurs thermiques en brevetant un moteur à combustion interne à pression constante, utilisant initialement du gaz vaporisé mais plus tard des combustibles liquides tels que le kérosène. Ce moteur thermique est connu sous le nom de « Moteur prêt de Brayton » . Cela signifie que le moteur Brayton d’origine utilisait un compresseur à piston et un détendeur à piston au lieu d’une turbine à gaz et d’un compresseur à gaz.

Aujourd’hui, les moteurs à turbine à gaz modernes et les moteurs à réaction à respiration aérodynamique sont également des moteurs thermiques à pression constante, c’est pourquoi nous décrivons leur thermodynamique par le cycle de Brayton . En général, le cycle de Brayton décrit le fonctionnement d’un moteur thermique à pression constante .

C’est l’un des cycles thermodynamiques les plus courants que l’on retrouve dans les centrales à turbine à gaz ou dans les avions. Contrairement au cycle de Carnot , le cycle de Brayton n’exécute pas de processus isothermes , car ceux-ci doivent être effectués très lentement. Dans un cycle de Brayton idéal , le système exécutant le cycle subit une série de quatre processus: deux processus isentropiques (adiabatiques réversibles) alternés avec deux processus isobares.

Cycle de Rankine

Cycle de Rankine - Diagramme Ts
Cycle de Rankine – Diagramme Ts

Voir aussi: Rankine Cycle

En 1859, un ingénieur écossais, William John Macquorn Rankine a fait progresser l’étude des moteurs thermiques en publiant le « Manuel de la machine à vapeur et autres moteurs principaux ». Rankine a développé une théorie complète de la machine à vapeur et de tous les moteurs thermiques. Avec Rudolf Clausius et William Thomson (Lord Kelvin), il a contribué à la thermodynamique, en se concentrant particulièrement sur la première des trois lois thermodynamiques.Le cycle de Rankine a été nommé d’après lui et décrit les performances des systèmes de turbines à vapeur , bien que théoriques Le principe s’applique également aux moteurs alternatifs tels que les locomotives à vapeur. En général, le cycle de Rankineest un cycle thermodynamique idéalisé d’un moteur thermique à pression constante qui convertit une partie de la chaleur en travail mécanique. Dans ce cycle, la chaleur est fournie de l’extérieur à une boucle fermée, qui utilise généralement de l’eau (en phase liquide et vapeur) comme fluide de travail. Contrairement au cycle de Brayton , le fluide de travail du cycle de Rankine  subit le changement  de phase d’une phase liquide à une phase vapeur et vice versa.

Alors que de nombreuses substances pourraient être utilisées comme fluide de travail dans le cycle de Rankine (inorganiques ou même organiques), l’ eau est généralement le fluide de choix en raison de ses propriétés favorables, telles que sa chimie non toxique et non réactive, son abondance et son faible coût, ainsi que ses propriétés thermodynamiques. Par exemple, l’ eau a la plus haute chaleur spécifique d’une substance commune – 4,19 kJ / kg K. De plus , il a très forte chaleur de vaporisation , ce qui en fait un refroidissement efficace et moyenne dans les centrales thermiques et autres industrie de l’ énergie. Dans le cas du cycle de Rankine, la loi des gaz parfaitspresque ne peut pas être utilisé (la vapeur ne suit pas pV = nRT), donc tous les paramètres importants de l’eau et de la vapeur sont tabulés dans ce que l’on appelle des « tableaux de vapeur ».

L’un des principaux avantages du cycle de Rankine est que le processus de compression dans la pompe a lieu sur un liquide . En condensant la vapeur de travail à un liquide (à l’intérieur d’un condenseur), la pression à la sortie de la turbine est abaissée et l’énergie requise par la pompe d’alimentation ne consomme que 1% à 3% de la puissance de sortie de la turbine et ces facteurs contribuent à une plus grande efficacité pour le cycle.

Aujourd’hui, le cycle de Rankine est le cycle de fonctionnement fondamental de toutes les centrales thermiques où un fluide de fonctionnement est continuellement évaporé et condensé. C’est l’un des cycles thermodynamiques les plus courants , car dans la plupart des endroits du monde, la turbine est entraînée par la vapeur.

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