Chapitre 7
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et où les températures sont absolues (K).
« Ainsi nous sommes conduits
à établir la proposition générale que
voici : La puissance motrice de la chaleur est indépendante des agens mis en
œuvre pour la réaliser ; sa quantité est
fixée uniquement par les températures
des corps entre lesquels se fait en dernier
résultat le transport du calorique. »
Sadi Carnot, 1824 [4]
« Notre objectif doit être toujours
d’augmenter les températures et les pressions jusqu’à leurs limites pratiques les
plus hautes. »
Rudolf Diesel, 1893 [23, 24]
Cette expression 7/6 est si remarquable qu’il nous faut nous y arrêter
quelques instants.
La réponse à la question que se posait Carnot, « quelle quantité maximale de
travail, en théorie, peut-on obtenir de la combustion d’une quantité donnée
de charbon ? » est ici – et elle est stupéfiante : cela ne dépend que des
températures haute et basse du moteur !
Deux remarques importantes s’imposent ici.
• Premièrement, cette efficacité n’est pas de 100 %. Pourtant, nous parlons
bien ici de machines sans frottement, sans fuites, et aux mouvements
infiniment lents. Par contraste, rien n’empêche un moteur électrique ou
un alternateur d’atteindre une efficacité de 100 % si l’on peut s’affranchir
de tous frottements.
Ainsi, avant même d’avoir abordé les inévitables difficultés technologiques dans la mise en place des moteurs réels, l’ingénieur/e motoriste
est limité/e par la nature fondamentale de la chaleur dans ce qu’il ou elle
peut obtenir de sa machine. Dans les chapitres suivants, nous aborderons
les irréversibilités observées dans les moteurs réels, qui réduiront encore
le rendement calculé ci-dessus.
• Secondement, cette équation est un argument fort pour augmenter la
température de combustion dans les moteurs.
En effet, en pratique la température basse í µí± í µí°µ est bornée par celle de l’air
ambiant. Le seul paramètre restant pour augmenter le rendement d’un
moteur idéal est la température í µí± í µí°» . Cette relation explique les efforts
surprenants déployés par les concepteurs de moteurs pour utiliser de
grandes températures (et de façon correspondante, de grandes pressions),
même si les moteurs réels sont loin d’être réversibles.
Pour résumer, nous répondrons ainsi à la question de Carnot : plus la
température à laquelle est brûlé le charbon est haute, plus la température
ambiante est basse, et moins les pertes en chaleur – inévitables – du moteur
seront grandes.
Exemple 7.3
La température maximale atteignable dans un moteur est de 600 ◦ C, et la
température à la quelle sont rejetés les gaz d’échappement est de 100 ◦ C.
Quel est le rendement maximal atteignable par le moteur ?
Pour atteindre la conversion la plus efficace, il faudrait que le moteur soit réversible. On aurait alors, avec l’équation 7/6 : í µí¼ moteur =
í µí¼ moteur Carnot = 1 −
í µí± í µí°µ
í µí± í µí°»
= 1 −
100+273,15
600+273,15 = 57,3 %.
Attention à bien utiliser des températures absolues – l’erreur
serait ici impardonnable.
Toutes les spécificités technologiques du moteur (cylindrée,
méthode d’injection, etc.) peuvent éventuellement le rapprocher de
ce rendement, mais jamais l’amener au delà.
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen
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et où les températures sont absolues (K).
« Ainsi nous sommes conduits
à établir la proposition générale que
voici : La puissance motrice de la chaleur est indépendante des agens mis en
œuvre pour la réaliser ; sa quantité est
fixée uniquement par les températures
des corps entre lesquels se fait en dernier
résultat le transport du calorique. »
Sadi Carnot, 1824 [4]
« Notre objectif doit être toujours
d’augmenter les températures et les pressions jusqu’à leurs limites pratiques les
plus hautes. »
Rudolf Diesel, 1893 [23, 24]
Cette expression 7/6 est si remarquable qu’il nous faut nous y arrêter
quelques instants.
La réponse à la question que se posait Carnot, « quelle quantité maximale de
travail, en théorie, peut-on obtenir de la combustion d’une quantité donnée
de charbon ? » est ici – et elle est stupéfiante : cela ne dépend que des
températures haute et basse du moteur !
Deux remarques importantes s’imposent ici.
• Premièrement, cette efficacité n’est pas de 100 %. Pourtant, nous parlons
bien ici de machines sans frottement, sans fuites, et aux mouvements
infiniment lents. Par contraste, rien n’empêche un moteur électrique ou
un alternateur d’atteindre une efficacité de 100 % si l’on peut s’affranchir
de tous frottements.
Ainsi, avant même d’avoir abordé les inévitables difficultés technologiques dans la mise en place des moteurs réels, l’ingénieur/e motoriste
est limité/e par la nature fondamentale de la chaleur dans ce qu’il ou elle
peut obtenir de sa machine. Dans les chapitres suivants, nous aborderons
les irréversibilités observées dans les moteurs réels, qui réduiront encore
le rendement calculé ci-dessus.
• Secondement, cette équation est un argument fort pour augmenter la
température de combustion dans les moteurs.
En effet, en pratique la température basse í µí± í µí°µ est bornée par celle de l’air
ambiant. Le seul paramètre restant pour augmenter le rendement d’un
moteur idéal est la température í µí± í µí°» . Cette relation explique les efforts
surprenants déployés par les concepteurs de moteurs pour utiliser de
grandes températures (et de façon correspondante, de grandes pressions),
même si les moteurs réels sont loin d’être réversibles.
Pour résumer, nous répondrons ainsi à la question de Carnot : plus la
température à laquelle est brûlé le charbon est haute, plus la température
ambiante est basse, et moins les pertes en chaleur – inévitables – du moteur
seront grandes.
Exemple 7.3
La température maximale atteignable dans un moteur est de 600 ◦ C, et la
température à la quelle sont rejetés les gaz d’échappement est de 100 ◦ C.
Quel est le rendement maximal atteignable par le moteur ?
Pour atteindre la conversion la plus efficace, il faudrait que le moteur soit réversible. On aurait alors, avec l’équation 7/6 : í µí¼ moteur =
í µí¼ moteur Carnot = 1 −
í µí± í µí°µ
í µí± í µí°»
= 1 −
100+273,15
600+273,15 = 57,3 %.
Attention à bien utiliser des températures absolues – l’erreur
serait ici impardonnable.
Toutes les spécificités technologiques du moteur (cylindrée,
méthode d’injection, etc.) peuvent éventuellement le rapprocher de
ce rendement, mais jamais l’amener au delà.
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen