Cours 25 Machines thermiques

Cours 25 Machines thermiques
Les moteurs des voitures qui nous transportent ainsi que le circuit primaire d’une centrale nucléaire qui convertit la
chaleur d’un cœur nucléaire en énergie mécanique disponible en sortie de turbine sont des dispositifs
thermodynamiques auxquels s’appliquent les premier et second principes.
Quelle que soit la technologie ; machine à vapeur, moteur à explosion , moteur Diesel, moteur Stirling, turbine à gaz,
un moteur fonctionne entre deux sources de chaleur, la chaude de température TC et la froide de température TF
<TC, le moteur exploite en général une chaleur de combustion et se refroidit au contact de l’atmosphère ou d’une
eau vive. Le second principe de la thermodynamique montre que le rendement du moteur est inférieur à 1-TF/TC.
On étudiera aussi dans cette leçon les machines réceptrices dont le but est de produire du froid, les machines
réfrigérantes ou du chaud, les pompes à chaleur.
I) Eléments d’histoire des sciences et techniques ; les machines thermiques
Moteur à explosion :
https://www.youtube.com/watch?v=NIgTwbbcUz4
https://www.youtube.com/watch?v=bm4tV2uvRGw
https://www.youtube.com/watch?v=pbKo4bPEvvA

Moteur Diesel
https://www.youtube.com/watch?v=zWV1OSzKkpk
Moteur Stirling Voir plus loin
Turbine à gaz
http://www.dailymotion.com/video/x1w1bex_gas-turbine-engine-animation_creation
Machine à vapeur :
Rappel machine de Newcommen : http://www.editions-
petiteelisabeth.fr/fonctionnement_de_la_machine_de_newcomen_machine_a_vapeur.php
Amélioration de watt : le régulateur à boule et le condenseur séparé du cylindre
Animation condenseur https://www.edumedia-sciences.com/fr/a882-machine-a-vapeur

Le condenseur ne parvenant pas à liquéfier toute la vapeur on accepte d’en perdre une partie avec son énergie
thermique (panache blanc de la loco) quitte à recharger régulièrement en eau
La machine à vapeur est une réalité actuelle elle est en œuvre dans les centrales nucléaires et même dans les
centrales à flammes qui brulent des hydrocarbures pour vaporiser de l’eau et faire tourner une turbine qui entraine
un alternateur
Curiosity MMRTG :
Le rover Curiosity dispose d'une source d'énergie indépendante de l'éclairement. L'électricité est générée par un générateur thermoélectrique à radio-isotope (GTR)
de nouvelle génération, le MMRTG développé par Boeing, utilisant une charge de 4,8 kg de dioxyde de plutonium PuO2 enrichi en plutonium 238 générant une
puissance initiale d'environ 2 000 W thermiques convertis nominalement en 120 W électriques60 par des thermocouples à base de nouveaux matériaux
thermoélectriques, à savoir PbTe/TAGS61 au lieu des anciens composants silicium-germanium. Le rover dispose de 2,7 kWh/j au lieu de 0,6 à 1 kWh/j sur
Opportunity, dont la puissance résiduelle, le 12 mai 2009 (après 1884 sols) n'était plus que de 460 Wh/j. De surcroît, cette puissance sera indépendante de
l'intensité du rayonnement reçu du Soleil et n'imposera donc pas d'arrêter la mission pendant l'hiver martien, contrairement au cas de Spirit et d'Opportunity. MSL
dispose d'une autonomie nominale d'une année martienne, soit près de deux années terrestres, mais sa source d'énergie devrait encore fournir 100 W électriques
après 14 années terrestres de fonctionnement. L'électricité est stockée dans deux batteries rechargeables au lithium ion ayant chacune une capacité de 42 Ah. Un
système de radiateurs comportant près de cinquante mètres de tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur permet de rejeter la chaleur excédentaireN
http://fr.wikipedia.org/wiki/Mars_Science_Laboratory
http://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9n%C3%A9rateur_thermo%C3%A9lectrique_%C3%A0_radioisotope_multi-mission
Cette technologie présente l’avantage de ne pas présenter de pièces mobiles susceptibles de pannes, il ne s’agit pas d’un
moteur thermodynamique à proprement parler mais le rendement de Carnot ne pourra quand même pas être dépassé. Les
thermocouples sont d’ailleurs décrits dans une thermodynamique plus élaborée qui sera étudiée en école d’ingénieur.
Histoire de la thermodynamique
Les premières machines à vapeur ont été inventées au 18ème siècle, elles succèdent aux machines purement mécaniques qui
utilisent l’énergie des courants d’eau ou du vent grâce à des organes de transmission tels que les engrenages et crémaillères, les
poulies et les courroies, les leviers et les palans ou les systèmes bielles manivelles.
En 1690 Denis Papin invente la soupape puis il imagine le cylindre à piston qui se déplace sous l’action de la vapeur. En 1700
Savery et Newcommen construisent les premières machines à vapeur. De 1763 à 1775 Watt leur apporte un perfectionnement
notable en leur adjoignant un condenseur séparé. La fonction d’une machine à vapeur est de convertir une énergie thermique en
une énergie mécanique. Le texte fondateur de la thermodynamique ‘réflexion sur la puissance motrice du feu et sur les machines
propres à développer cette puissance ’ a été écrit par Carnot en 1824 mais ce dernier croyait en un principe de conservation de la
chaleur. C’est Joule en 1840 qui infirme cette idée et montre l’équivalence de la chaleur et du travail, deux formes de transfert
d’énergie. Clausius en 1850 et Kelvin en 1851 assemblent les concepts de Joule et de Carnot complétant la description des
phénomènes thermo-mécaniques et construisant ce que l’on appelle aujourd’hui la thermodynamique macroscopique.
La thermodynamique formalise une dissymétrie de la nature : si la conversion du travail en chaleur peut être réalisée à 100%, il
n’en est pas de même de la conversion inverse ; une seconde source de chaleur qui perçoit comme une sorte de taxe une partie

de l’énergie émise par la première source est nécessaire si l’on souhaite convertir de la chaleur en travail, c’est à dire si l’on
souhaite faire fonctionner un moteur.
Les machines thermodynamiques réceptrices de travail que sont les réfrigérateurs sont apparues après les machines à vapeur.
Même si les chinois avaient remarqué très tôt que l’évaporation de l’eau produit du froid et que William Cullen ait décrit cet
effet en 1756, il faudra attendre 1856 et 1859 pour que Charles Tellier et Ferdinand Carré inventent les premières machines à
froid qui fonctionnent avec de l’ammoniac. En 1862 H.C. Kirk construit la première machine à froid à circuit fermé. En 1876
Linde lui adjoint un compresseur. En 1930 l’industrie du froid se développe avec l’utilisation des chloro-fluoro-carbones ou
CFC ou fréons; ces fluides frigorifiques très stables subissent des transitions de phases fluides à des températures voisines de
l’ambiante pour des pressions accessibles.
Toutefois leur fuite dans l’atmosphère pose problème car lorsque les CFC dépassent la couche d’ozone (10 kms d’altitude)
sous l’action des UV ils se dissocient. Les radicaux chlorés qui en résultent catalysent alors la décomposition de l’ozone
privant ainsi la terre de sa protection aux UV mutagènes. Les pays industrialisés ont donc remplacé les CFC par les hydrogéno-
chloro-fluoro-carbone ou HCFC, il ne peut s’agir là que d’une solution temporaire car si la stabilité moindre de ces composés
fait qu’ils sont partiellement décomposés avant d’atteindre la haute atmosphère, ils détruisent encore la couche d’ozone.
L’utilisation des hydrogéno-fluoro-carbone ou HFC est envisageable, mais si il s’agit là d’un gaz qui ne détruit pas la couche
d’ozone, il contribue par contre notablement à l’effet de serre. Les solutions d’avenir sont sans doute liées à des gaz aussi
courants que l’ammoniac, l’isobutane, le propane, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau ; mais leur utilisation dans des
installations domestiques pose des problèmes techniques qui sont encore à résoudre.
Donnons enfin quelques dates :
1862 brevet du moteur à explosion par Beau de Rochas
1876 le moteur amélioré par Otto devient réellement fonctionnel
1882 Benz et Daimler fabriquent des moteurs
1893 brevet de Diesel 1897 un moteur fonctionnel voit le jour
L’utilisation des combustibles fossiles produisant un gaz à effet de serre CO2 (le méthane étant l’autre gaz à effet de serre) il est
urgent de limiter sa production. De plus le réchauffement climatique induit risque de s’aggraver ; en effet si la température du
globe s’élève, le CO2 piégé dans le permafrost et dans la mer sera libéré en masse, si les glaces fondent, l’albedo de la terre
diminuera, le rayonnement solaire sera moins réfléchi, la température moyenne de la terre augmentera selon une rétroaction
positive déstabilisatrice.
Ajoutons qu’au rythme actuel de consommation, la ressource en hydrocarbures restante est inférieure à 50 ans et ceci même en
accédant au pétrole le plus profond, utiliser les gaz de schistes pose des problèmes de pollution des nappes phréatiques. La
ressource en combustibles nucléaires fissiles n’est pas plus abondante elle aussi estimée à moins de 50 ans. Il faut donc espérer
que des projets comme ITER visant à contrôler la fusion nucléaire aboutiront rapidement et que les états consentent des efforts
financiers dans la recherche (l’histoire des sciences et technique montre que ce n’est pas forcément la ou l’on croit devoir
chercher que les solutions se révèlent, il faudrait financer abondamment l’ensemble de la recherche scientifique pas seulement
la recherche en énergétique)

II) Les machines thermiques monophasées
0) Inégalité de Clausius
Une machine correspondant à une transformation cyclique du fluide thermodynamique S=0
l'entropie ne varie que pendant les phases de contact avec les source,s pas pendant l'échange de travail avec l'e
C
F
FC
F
F
xtérieur
S= S+ S=0
Q
Q
pendant le contact avec la source froide S = S =
TT
Q
Q
T
contact froid contact chaud
contact froid créée froid contact chaud crééechaud
créée froid
s pendantlecontactavecasourcechaude s
sCC
F
C F C
Q
Q
0 0 0
T T T
crééechaud créée froid crééechaud
s comme s s
1) Machines possibles et utiles
Le système, c’est le gaz qui échange du travail avec un univers mécanique ou technique extérieur et avec
deux sources, une froide et une chaude. TC>TF définit la source chaude.
Les machines possibles doivent être compatibles avec les deux principes :
QF + QC + W = 0 et
C
F
FC
Q
Q0
TT
Les 3 cas possibles sont
QF
QC
W
moteur
-
+
-
1F
CC
WT
QT
Le rendement reversible
est d’autant plus grand
que l ‘écart entre les
sources est grand
Réfrigérateur
ou
congélateur
ou climatiseur
+
-
+
11
1
1
F F F
C
F C C F
F
Q Q T
eT
W Q Q x T T
T
L’efficacité réversible est
d’autant plus grande que
l ‘écart entre les sources
est petit
Pompe à
chaleur
+
-
+
1
1
C
C C C
F
C
F C C F
F
T
Q Q T
x
T
eT
W Q Q x T T
T
L’efficacité réversible est
d’autant plus grande que
l’écart entre les sources
est petit
Remarque ; faire passer de la chaleur de la source chaude QC>0 à la source froide QF<0 en fournissant au fluide du travail W>0 doit être possible même si
l’intérêt est limité par le fait que ce transfert thermique se ferait spontanément.
Toutefois dans ce cas si on veut envisager le cas d’une machine réversible donc si on prend
C
F
FC
Q
Q0
TT
Cela implique │QC│>QF donc W=-QC-QF <0 la réversibilité ne peut être atteinte sauf a avoir W=0