Le cours
Résumé en cinq points
- Sur un cycle, et . Tout le chapitre découle de ces deux égalités.
- Une machine monotherme cyclique ne peut que consommer du travail. Il faut deux sources pour produire du travail.
- Pour une machine ditherme, et , avec égalité si le cycle est réversible.
- Théorème de Carnot : pour un moteur, et efficacités bornées par et pour un récepteur. Ces bornes ne dépendent que des températures.
- Les machines réelles atteignent environ 30 à 40 % pour un moteur ou une centrale et 3 à 4 d'efficacité pour une pompe à chaleur. La cogénération valorise la chaleur rejetée sans augmenter le travail produit.
Pourquoi ce chapitre
C'est l'aboutissement de la thermodynamique de première année, et le chapitre le plus proche des applications industrielles. Un moteur d'automobile, une centrale électrique, un réfrigérateur, une pompe à chaleur, un climatiseur sont tous des machines thermiques.
La méthode est courte et toujours la même : on écrit les deux principes sur un cycle, et l'on en déduit une inégalité qui borne la performance. Le résultat central, le théorème de Carnot, dit que même une machine parfaite ne peut pas dépasser une certaine performance, fixée uniquement par les températures des sources. C'est un des rares endroits du programme où la physique impose une limite absolue, indépendante de toute technologie.
Le chapitre demande aussi de savoir modéliser un dispositif réel et de citer des ordres de grandeur de rendements, question d'entretien très courante.
1Cadre d'étude
1.1Machine cyclique
Définition 1.1Machine thermique
Une machine thermique est un dispositif dans lequel un fluide, appelé fluide de travail ou agent thermique, décrit un cycle. Il échange du travail avec une partie mécanique et des transferts thermiques avec des sources. Le système étudié est toujours le fluide, et il est fermé.
Sur un cycle, toute fonction d'état revient à sa valeur initiale, donc
Toutes les relations du chapitre en découlent. En pratique, les machines réelles fonctionnent en régime permanent avec un écoulement continu, mais on raisonne sur une masse de fluide qui effectue un tour complet.
1.2Conventions
- est le travail total reçu par le fluide au cours d'un cycle.
- est le transfert thermique reçu de la source .
- Tout est compté positivement quand c'est reçu par le fluide : une machine qui fournit du travail à l'extérieur a donc .
Définition 1.2Source (thermostat)
Une source, ou thermostat, est un système dont la température ne varie pas malgré les échanges. On note la température de la source chaude et celle de la source froide, avec , toujours en kelvins.
2Machine monotherme
Une machine monotherme n'échange qu'avec une seule source, à la température .
Propriété 2.1Machine cyclique monotherme
Hypothèses
- le fluide décrit un cycle ;
- il n'échange qu'avec une source à la température .
Alors et : la machine ne peut que recevoir du travail et céder de l'énergie thermique à la source.
Démonstration
Sur un cycle, le premier principe donne Le deuxième principe donne Comme et , on a , donc .
Il est impossible de produire du travail en prélevant simplement de l'énergie thermique à une seule source. C'est pourquoi on ne peut pas faire avancer un bateau en refroidissant l'océan, bien que le premier principe ne l'interdise pas.
À retenir
Il faut au minimum deux sources à des températures différentes pour produire du travail.
3Machine ditherme
3.1Les deux relations de base
Propriété 3.1Relations de base d'une machine ditherme
Hypothèses
- le fluide décrit un cycle ;
- il échange avec une source chaude à et une source froide à .
Alors
Définition 3.2Inégalité de Clausius
L'inégalité de Clausius est l'inégalité Elle est saturée, c'est-à-dire qu'elle devient une égalité, si et seulement si le cycle est réversible.
Ces deux relations suffisent à traiter tout le chapitre. Il faut savoir les réécrire immédiatement.
3.2Sens des échanges
Propriété 3.3Moteur ditherme
Hypothèse : .
Alors, en combinant les deux relations, et .
Le fluide prélève de l'énergie thermique à la source chaude, en convertit une partie en travail, et rejette le reste à la source froide. Ce rejet n'est pas un défaut technique, il est imposé par le deuxième principe. Aucun moteur ne peut convertir intégralement de la chaleur en travail.
Propriété 3.4Récepteur ditherme
Pour un récepteur ditherme (réfrigérateur, climatiseur ou pompe à chaleur) : , et .
On fournit du travail pour faire remonter de l'énergie thermique de la source froide vers la source chaude, dans le sens contraire de son évolution spontanée.
MéthodeSchéma mental des échanges
- Dessiner le fluide au centre, deux flèches horizontales vers les sources et une flèche verticale pour le travail.
- Mettre les signes.
- Pour un moteur, la flèche entre par la source chaude et sort vers la source froide et vers l'extérieur mécanique.
- Pour un récepteur, tout est inversé sauf que la source chaude reste celle qui reçoit.
3.3Rendement d'un moteur et théorème de Carnot
Un rendement, ou une efficacité, est le rapport de ce que l'on veut obtenir à ce que l'on doit payer, tous deux comptés en valeur absolue.
Définition 3.5Rendement d'un moteur
Pour un moteur, on veut le travail fourni, , et on paie l'énergie thermique prélevée à la source chaude, . Le rendement est
Théorème 3.6Théorème de Carnot
Hypothèses
- moteur ditherme cyclique ;
- sources aux températures , en kelvins.
Alors avec égalité si et seulement si le cycle est réversible.
Démonstration
On utilise l'inégalité de Clausius sous la forme valable car . On l'injecte dans .
Le rendement maximal, dit rendement de Carnot, ne dépend que des températures des deux sources et d'aucune caractéristique de la machine. Il est toujours strictement inférieur à 1 tant que n'est pas nulle. Pour l'améliorer, il faut augmenter ou abaisser .
Exemple 3.7Centrale thermique
Une vapeur à soit et un condenseur à soit donnent un rendement de Carnot de
3.4Efficacité d'un réfrigérateur et d'une pompe à chaleur
Définition 3.8Efficacité d'un réfrigérateur
Pour un réfrigérateur ou un climatiseur, on veut l'énergie extraite de la source froide, , et on paie le travail fourni, . L'efficacité est
Définition 3.9Efficacité d'une pompe à chaleur
Pour une pompe à chaleur, on veut l'énergie cédée à la source chaude, , et on paie toujours . L'efficacité est
Ces deux bornes s'obtiennent exactement comme le théorème de Carnot, en combinant les deux relations de base. On préfère le mot efficacité au mot rendement, car ces grandeurs sont supérieures à 1. Une pompe à chaleur qui livre trois fois plus d'énergie thermique qu'elle ne consomme d'énergie électrique ne viole rien : elle ne crée pas d'énergie, elle en déplace.
Propriété 3.10Relation entre les efficacités
Elle découle directement du premier principe.
RemarqueBornes et écart de température
Les bornes deviennent très grandes quand et sont proches. Une pompe à chaleur est d'autant plus performante que l'écart entre l'extérieur et la température de chauffage est faible, ce qui plaide pour un chauffage par le sol à basse température plutôt que par radiateurs très chauds.
4Machines réelles, ordres de grandeur et cogénération
4.1Ordres de grandeur à citer
Les machines réelles sont irréversibles, leur performance est donc nettement inférieure à la limite de Carnot. Valeurs à connaître en ordre de grandeur :
- moteur thermique d'automobile : rendement de l'ordre de 30 à 40 %, l'allumage par compression faisant un peu mieux que l'allumage commandé ;
- centrale thermique à flamme : de l'ordre de 40 %. Centrale nucléaire : plus proche de 33 %, car la température de la vapeur y est plus basse ;
- cycle combiné gaz et vapeur, où les gaz chauds d'une turbine à gaz servent à produire de la vapeur : jusqu'à environ 60 %, la machine thermique la plus performante en service ;
- pompe à chaleur domestique : efficacité réelle de l'ordre de 3 à 4 en fonctionnement moyen sur une saison ;
- réfrigérateur domestique : efficacité de l'ordre de 2 à 3.
La limite théorique correspondante est d'environ 0,6 à 0,65 pour une centrale. Le rapport entre le rendement réel et le rendement de Carnot, de l'ordre de 0,6, mesure la qualité de la machine.
4.2Cogénération
Dans un moteur ou une centrale, la majeure partie de l'énergie prélevée à la source chaude est rejetée à la source froide. Ce rejet est inévitable, mais il n'est pas forcément perdu.
Définition 4.1Cogénération
La cogénération consiste à produire simultanément du travail, généralement de l'électricité, et de la chaleur utile, en valorisant l'énergie rejetée à la source froide pour du chauffage urbain, de l'eau chaude sanitaire ou un procédé industriel.
Le deuxième principe n'est pas contourné, on ne produit pas plus de travail. On cesse simplement de jeter la chaleur rejetée. Le taux d'utilisation global de l'énergie du combustible peut alors atteindre 80 à 90 %, contre 40 % pour la seule production électrique. La contrainte est géographique : il faut un consommateur de chaleur à proximité, car la chaleur se transporte mal.
4.3Modéliser un dispositif concret
C'est une capacité exigible et une question fréquente.
MéthodeModéliser un dispositif par une machine ditherme
- Identifier le fluide de travail et vérifier qu'il décrit un cycle.
- Identifier les deux sources et leurs températures.
- Repérer où se font les échanges, en général un évaporateur du côté froid et un condenseur du côté chaud.
- Déterminer le signe de pour savoir si la machine est un moteur ou un récepteur.
- Écrire les deux relations de base et définir la performance pertinente.
Sources selon le dispositif :
- réfrigérateur : source froide, l'intérieur de l'appareil ; source chaude, la cuisine ;
- climatiseur : source froide, la pièce ; source chaude, l'air extérieur ;
- pompe à chaleur : source froide, l'air extérieur ou le sol ; source chaude, le circuit de chauffage.
4.4Mise en œuvre expérimentale
Le programme demande de mettre en œuvre une machine thermique cyclique ditherme. Deux supports courants au laboratoire :
- un moteur de Stirling de démonstration, dont on peut mesurer la puissance mécanique produite et estimer la puissance thermique fournie, afin de comparer le rendement mesuré au rendement de Carnot calculé à partir des températures des deux sources ;
- un module à effet thermoélectrique, qui fonctionne en récepteur quand on l'alimente et en générateur quand on lui impose un écart de température, et sur lequel on mesure l'efficacité.
AttentionÉcart avec la limite théorique
Dans les deux cas, les points délicats sont la mesure des températures réelles aux échangeurs et l'estimation des pertes, qui expliquent l'écart avec la limite théorique.
Méthodes
MéthodeTraiter une machine thermique
- Prendre comme système le fluide, sur un cycle complet, et écrire immédiatement et .
- Écrire les deux relations de base avant toute autre chose : et .
- Déterminer les signes de , et avant de manipuler les rapports, car le sens d'une inégalité change quand on divise par une quantité négative.
- Définir la performance en toutes lettres, ce que l'on veut divisé par ce que l'on paie, plutôt que de réciter une formule.
- Vérifier le résultat.
MéthodeVérifier un résultat
- Un rendement de moteur est compris entre 0 et 1 et inférieur à .
- Une efficacité de pompe à chaleur est supérieure à 1.
MéthodeConvertir les températures
Quand les températures des sources sont données en degrés Celsius, les convertir en kelvins avant tout calcul.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Montrer qu'une machine cyclique monotherme ne peut pas fournir de travail.
- Écrire les deux relations de base pour une machine ditherme et établir l'inégalité de Clausius.
- Déterminer les signes de , et pour un moteur puis pour un récepteur, et les justifier.
- Établir le théorème de Carnot pour le rendement d'un moteur et préciser le cas d'égalité.
- Établir les efficacités maximales du réfrigérateur et de la pompe à chaleur, et montrer que .
- Modéliser un réfrigérateur ou une pompe à chaleur réels, en identifiant les sources et le sens des échanges.
- Citer des ordres de grandeur de rendements réels : moteur, centrale, pompe à chaleur.
- Expliquer le principe de la cogénération et dire en quoi elle ne contredit pas le deuxième principe.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Premier principe sur un cycle. Pour le fluide, système fermé, ΔU = 0 donc W + Σ Qi = 0. Exigible.
- Deuxième principe sur un cycle. ΔS = 0 donc Σ Qi/Ti + S_créée = 0 avec S_créée ≥ 0. Ti est la température de la source i, pas celle du fluide. Exigible.
- Impossibilité du moteur monotherme. Une machine cyclique en contact avec une seule source vérifie W ≥ 0 et Q ≤ 0. Exigible avec démonstration.
- Inégalité de Clausius ditherme. Qc/Tc + Qf/Tf ≤ 0, avec égalité si et seulement si le cycle est réversible. Exigible avec démonstration.
- Sens des échanges d'un moteur. Si W < 0, alors Qc > 0 et Qf < 0. Exigible avec démonstration.
- Sens des échanges d'un réfrigérateur. Si Qf > 0, alors Qc < 0 et W > 0. Exigible avec démonstration. La réciproque est fausse : W > 0 n'impose pas Qf > 0.
- Théorème de Carnot. η ≤ 1 − Tf/Tc, avec égalité si et seulement si le cycle est réversible. Exigible avec démonstration.
- Bornes des récepteurs. e_froid ≤ Tf/(Tc − Tf) et e_chaud ≤ Tc/(Tc − Tf). Exigibles avec démonstration.
- Relation e_chaud = e_froid + 1, valable pour un même cycle, réel ou réversible. Exigible.
- Corollaire de Carnot. Toutes les machines dithermes réversibles entre les mêmes sources ont la même performance, quel que soit le fluide. Exigible.
- Cycle de Carnot. C'est le seul cycle ditherme réversible : deux isothermes aux températures des sources et deux adiabatiques réversibles. À connaître et à justifier.
- Loi de Laplace, vue au chapitre précédent. PVγ = constante pour un gaz parfait de γ constant, en évolution adiabatique réversible. Exigible, elle sert à calculer les cycles.
- Ordres de grandeur des rendements réels et principe de la cogénération. Exigibles sans démonstration.
- Hors programme de PCSI, à signaler si un énoncé les utilise :
- le premier principe pour un fluide en écoulement, vu en PC.
- l'exploitation quantitative des diagrammes (P, h) et (T, s).
- le rendement de Curzon-Ahlborn.
- la notion d'exergie.
Clés de démonstration
Moteur monotherme. Le bilan d'entropie donne Q = − T₀ S_créée. On ne connaît de S_créée que son signe, et on le transporte sur Q grâce à T₀ > 0. Le premier principe transfère ensuite ce signe à W.
Inégalité de Clausius. Sur un cycle, ΔS = 0, donc l'entropie échangée vaut − S_créée. Comme les sources sont des thermostats, l'entropie échangée s'écrit simplement Qc/Tc + Qf/Tf. L'astuce est que les températures au dénominateur sont constantes, ce qui évite toute intégrale.
Signes pour un moteur. On a W < 0, donc Qc + Qf > 0. On raisonne par l'absurde en supposant Qc ≤ 0.
- Alors Qf > − Qc ≥ 0.
- Clausius donne Qf ≤ − Qc Tf/Tc.
- Or − Qc Tf/Tc ≤ − Qc puisque Tf/Tc < 1 et − Qc ≥ 0. On obtient Qf ≤ − Qc, ce qui contredit Qf > − Qc.
Donc Qc > 0, et Clausius impose alors Qf ≤ − Qc Tf/Tc < 0.
Signes pour un réfrigérateur. On part de Qf > 0, qui est la définition du fonctionnement utile.
- Clausius donne Qc/Tc ≤ − Qf/Tf < 0, donc Qc < 0.
- Puis W = − Qc − Qf ≥ Qf (Tc/Tf − 1) > 0.
L'astuce est de partir de la grandeur utile et non du signe de W.
Théorème de Carnot. On écrit η = 1 + Qf/Qc. On divise l'inégalité de Clausius par Qc, qui est positif, donc le sens est conservé : Qf/Qc ≤ − Tf/Tc. Tout repose sur le fait d'avoir établi le signe de Qc avant de diviser.
Bornes des récepteurs. On ne manipule pas le quotient directement, on minore W.
- Réfrigérateur : − Qc ≥ Qf Tc/Tf donne W ≥ Qf (Tc − Tf)/Tf, d'où e_froid ≤ Tf/(Tc − Tf).
- Pompe à chaleur : Qf ≤ − Qc Tf/Tc donne W ≥ − Qc (Tc − Tf)/Tc, d'où e_chaud ≤ Tc/(Tc − Tf).
Cycle de Carnot. Un transfert thermique avec un thermostat n'est réversible que si le fluide est à la température de la source pendant l'échange. Un écart fini de température crée de l'entropie. Le fluide suit donc une isotherme à Tc, une isotherme à Tf, et entre les deux il n'échange rien de façon réversible : ce sont deux adiabatiques réversibles.
Exemples et contre-exemples à connaître
-
Centrale nucléaire. La vapeur est vers 290 °C (563 K) et la rivière vers 20 °C (293 K). Le rendement de Carnot vaut 0,48 et le rendement réel 0,33. Cet exemple montre l'écart entre la limite et la réalité.
-
Congélateur à − 18 °C (255 K) dans une cuisine à 20 °C (293 K). L'efficacité maximale est 255/38 ≈ 6,7, pour une efficacité réelle de 2 à 3.
-
Pompe à chaleur avec une source froide à 0 °C (273 K).
- Plancher chauffant à 35 °C : emax = 308/35 ≈ 8,8.
- Radiateurs à 60 °C : emax = 333/60 ≈ 5,6.
La température de distribution compte autant que la machine.
-
Réfrigérateur porte ouverte. La cuisine se réchauffe. Le système {réfrigérateur + cuisine} reçoit W > 0 et rien d'autre. C'est un contre-exemple à l'idée intuitive de « climatiser une pièce ».
-
Radiateur électrique. Il a une efficacité égale à 1, alors qu'une pompe à chaleur dépasse 3. Aucune n'enfreint le premier principe, la pompe déplace de l'énergie au lieu de la produire.
-
Cas limite Tf → Tc. Le rendement de Carnot tend vers 0 et l'efficacité maximale tend vers l'infini. Ces tendances servent de test de cohérence d'un résultat.
-
Récepteur dissipatif. Un cycle peut avoir W > 0, Qc > 0 et Qf < 0 en respectant les deux principes. Il laisse passer de l'énergie du chaud vers le froid et dissipe du travail. Contre-exemple à « W > 0 donc réfrigérateur ».
-
Moteur à essence. Son cycle n'échange pas avec deux thermostats, car la température des gaz varie. Son rendement théorique, 1 − a1−γ, est inférieur au rendement de Carnot entre ses températures extrêmes. Le modèle ditherme n'est qu'une borne.
-
Climatiseur réversible. C'est la même machine qu'une pompe à chaleur, avec une vanne qui inverse le sens de circulation. Les rôles des échangeurs intérieur et extérieur s'échangent.
Techniques du chapitre
Passer en puissances pour une machine en régime permanent. On divise les bilans par la durée d'un cycle : Pm + Pc + Pf = 0 et Pc/Tc + Pf/Tf ≤ 0. Mini-exercice : une centrale produit 900 MW électriques avec η = 0,33. La puissance thermique reçue vaut 900/0,33 ≈ 2 700 MW. Elle rejette donc environ 1 800 MW à la rivière.
Écrire « voulu sur payé » en toutes lettres. Mini-exercice : un climatiseur d'efficacité 3 extrait 3 kW d'une pièce.
- Travail consommé : W = 3/3 = 1 kW.
- Puissance rejetée dehors : 3 + 1 = 4 kW.
Calculer l'entropie créée à partir des échanges. Mini-exercice : un moteur reçoit Qc = 1 000 J à 600 K, fournit 300 J et rejette à 300 K.
- Premier principe : Qf = − 700 J.
- Entropie créée : S_créée = − (1 000/600 − 700/300) ≈ 0,67 J/K. Elle est positive, le moteur est donc possible.
Relier le travail perdu à l'entropie créée. À Qc fixé, le travail fourni vaut le travail réversible diminué de Tf S_créée. Mini-exercice, suite du précédent :
- Travail réversible : 1 000 × 0,5 = 500 J.
- Travail perdu : 300 × 0,67 = 200 J.
- On retrouve bien 500 − 200 = 300 J fournis.
Convertir en kelvins avant tout calcul. Mini-exercice : sources à 100 °C et 20 °C.
- Calcul faux en degrés Celsius : 1 − 20/100 = 0,8.
- Calcul juste : 1 − 293/373 = 0,21.
Traiter une source de capacité finie comme une suite de thermostats. Sur un cycle élémentaire, la source est à T et reçoit δQ = C dT. On écrit les deux principes sous forme différentielle, puis on intègre. Mini-exercice : l'entropie échangée par le fluide avec cette source vaut − C dT/T, car le fluide reçoit − δQ à la température T.
Calculer les transferts d'un gaz parfait sur un cycle. Mini-exercice : sur une isotherme de V₁ à V₂, ΔU = 0 donc Q = − W = nRT ln(V₂/V₁). Sur une isochore, W = 0 donc Q = Cv ΔT.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Vérifier une annonce
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Un inventeur annonce un moteur qui reçoit 10 kJ par cycle d'une source à 127 °C, rejette vers l'air à 27 °C et fournit 3 kJ de travail. Un autre annonce une pompe à chaleur d'efficacité 5 entre 0 °C et 50 °C. Discuter.
Technique Comparer à la borne de Carnot, ou calculer S_créée.
Voir le corrigé
- Moteur : Tc = 400 K et Tf = 300 K, d'où ηmax = 0,25.
- Le moteur ne peut donc pas fournir plus de 2,5 kJ. L'annonce est impossible.
- Vérification par l'entropie : Qf = − 7 kJ, donc S_créée = − (10 000/400 − 7 000/300) ≈ − 1,7 J/K. Une entropie créée négative confirme l'impossibilité.
- Pompe à chaleur : emax = 323/50 ≈ 6,5. L'efficacité annoncée de 5 est permise, mais elle représente 77 % de la limite, ce qui est très au-dessus des machines réelles (environ 40 à 50 %). L'annonce est suspecte sans être impossible.
piège : Oublier la conversion en kelvins, qui donne ηmax = 0,79 et valide à tort l'annonce du moteur.
Exercice 2. Un réfrigérateur sans travail
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Montrer qu'une machine cyclique ditherme ne peut pas extraire de l'énergie thermique de la source froide sans recevoir de travail. Montrer ensuite qu'avec W > 0, la machine n'est pas forcément un réfrigérateur.
Technique Raisonner à partir de la grandeur utile Qf > 0.
Voir le corrigé
- On suppose Qf > 0. Clausius donne Qc ≤ − Qf Tc/Tf < 0.
- Le premier principe donne W = − Qc − Qf ≥ Qf (Tc − Tf)/Tf > 0. Le travail est obligatoire. C'est l'énoncé de Clausius du deuxième principe.
- Contre-exemple pour la seconde question : Qc = 100 J, Qf = − 150 J et W = 50 J.
- On vérifie Clausius avec Tc = 400 K et Tf = 300 K : 0,25 − 0,5 < 0. Ce cycle est permis mais inutile, il dissipe le travail vers la source froide.
piège : Déduire les signes de Qc et Qf du seul signe de W.
Exercice 3. Congélateur réel
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Un congélateur maintient − 18 °C dans une cuisine à 20 °C. Il extrait 100 W et son efficacité réelle vaut 2. Calculer la puissance électrique, la puissance rejetée, le rapport à l'efficacité de Carnot et l'entropie créée par seconde.
Technique Bilans en puissances.
Voir le corrigé
- Puissance électrique : Pm = 100/2 = 50 W.
- Puissance cédée à la cuisine : Pc = − 150 W.
- Efficacité de Carnot : emax = 255/38 ≈ 6,7. Le rapport vaut 2/6,7 ≈ 0,30.
- Entropie créée par seconde : σ = − (Pc/Tc + Pf/Tf) = 150/293 − 100/255 ≈ 0,512 − 0,392 = 0,12 W/K.
piège : Prendre la cuisine comme source froide parce qu'elle « reçoit » l'énergie. La source froide est l'intérieur de l'appareil.
Exercice 4. Pompe à chaleur ou radiateurs
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Une maison demande 8 kW quand il fait 5 °C dehors. La pompe à chaleur atteint 40 % de l'efficacité de Carnot. Comparer la puissance électrique consommée pour une distribution à 35 °C et pour une distribution à 65 °C.
Technique Efficacité de Carnot, puis efficacité réelle.
Voir le corrigé
- Distribution à 35 °C :
- emax = 308/30 ≈ 10,3.
- efficacité réelle ≈ 4,1.
- P_élec ≈ 8/4,1 ≈ 1,95 kW.
- puissance prélevée à l'air extérieur : 8 − 1,95 ≈ 6 kW.
- Distribution à 65 °C :
- emax = 338/60 ≈ 5,6.
- efficacité réelle ≈ 2,25.
- P_élec ≈ 3,6 kW.
- Chauffer à basse température divise presque par deux la consommation. Un radiateur électrique consommerait 8 kW.
piège : Écrire e = Tf/(Tc − Tf), qui est l'efficacité d'un réfrigérateur.
Exercice 5. Moteur de Stirling de démonstration
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle ou TP
La tête chaude d'un moteur de Stirling est chauffée par une résistance de 20 W. On mesure 90 °C à la tête chaude, 25 °C à la tête froide, et une puissance mécanique de 0,6 W. Comparer au rendement de Carnot et expliquer l'écart.
Technique Définir le rendement mesuré, puis identifier les irréversibilités.
Voir le corrigé
- Rendement mesuré : η = 0,6/20 = 0,03.
- Rendement de Carnot : 1 − 298/363 ≈ 0,18.
- Le rapport vaut environ 0,17. Plusieurs causes l'expliquent :
- une partie des 20 W fuit par conduction dans le bâti sans traverser le fluide.
- le gaz n'atteint pas la température des parois, et les échanges sous écart fini créent de l'entropie.
- il y a des frottements.
- le régénérateur est imparfait.
- La première cause fausse la mesure elle-même, car le dénominateur réel est inférieur à 20 W.
piège : Utiliser la puissance électrique comme Qc exact.
Exercice 6. Cycle de Carnot d'un gaz parfait
Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP PC
n moles de gaz parfait, de γ constant, décrivent de façon réversible le cycle suivant :
- une isotherme à Tc de VA à VB > VA.
- une adiabatique jusqu'à VC.
- une isotherme à Tf jusqu'à VD.
- une adiabatique de retour en A.
Retrouver le rendement par le calcul direct.
Technique Transferts sur les isothermes et loi de Laplace.
Voir le corrigé
- Sur l'isotherme chaude, Qc = nRT_c ln(VB/VA) > 0.
- Sur l'isotherme froide, Qf = nRT_f ln(VD/VC).
- Les adiabatiques n'échangent aucun transfert thermique.
- Laplace, en variables (T, V) : Tc VBγ−1 = Tf VCγ−1 et Tc VAγ−1 = Tf VDγ−1.
- Le quotient des deux relations donne VB/VA = VC/VD. On en déduit Qf/Qc = − Tf/Tc.
- Donc η = 1 − Tf/Tc. On retrouve Carnot, et l'inégalité de Clausius est bien une égalité.
piège : Appliquer Laplace sans rappeler ses conditions : gaz parfait, adiabatique, réversible, γ constant.
Exercice 7. Cycle de Beau de Rochas
Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP PC
L'air, assimilé à un gaz parfait de γ = 1,4, décrit le cycle suivant :
- une compression adiabatique réversible de l'état 1 (Vmax, T₁) à l'état 2 (Vmin, T₂).
- un chauffage isochore jusqu'à T₃.
- une détente adiabatique réversible jusqu'à T₄.
- un refroidissement isochore jusqu'à l'état 1.
On note a = Vmax/Vmin = 9. Calculer le rendement et le comparer à Carnot.
Technique Transferts isochores Q = Cv ΔT et loi de Laplace.
Voir le corrigé
- Qc = Cv (T₃ − T₂) > 0 et Qf = Cv (T₁ − T₄) < 0.
- Laplace : T₂ = T₁ aγ−1 et T₄ = T₃ a1−γ.
- η = 1 − (T₄ − T₁)/(T₃ − T₂) = 1 − a1−γ.
- Application : 90,4 ≈ 2,41, donc η ≈ 0,59. Le rendement réel est de l'ordre de 0,35.
- Comparaison à Carnot entre T₁ et T₃ : T₁/T₃ < T₁/T₂ = a1−γ, donc 1 − T₁/T₃ > η. Les échanges se font sous des températures variables, le cycle n'atteint pas la borne.
piège : Affirmer que ce cycle réversible atteint le rendement de Carnot. Il est réversible pour le gaz, mais pas vis-à-vis de sources à température fixe.
Exercice 8. Cogénération
Classiques de khôlle et concours · Type écrit e3a
Un moteur à gaz consomme 10 MW de combustible. Il fournit 4 MW électriques et 4,5 MW de chaleur à un réseau de chauffage à 80 °C. Calculer le taux d'utilisation. Comparer avec une production séparée : centrale de rendement 0,40 et chaudière de rendement 0,90.
Technique Bilan « voulu sur payé » avec deux produits.
Voir le corrigé
- Taux d'utilisation : (4 + 4,5)/10 = 0,85.
- Production séparée :
- électricité : 4/0,40 = 10 MW de combustible.
- chaleur : 4,5/0,90 = 5 MW de combustible.
- total : 15 MW.
- La cogénération économise un tiers du combustible.
- Pour livrer de la chaleur à 80 °C, la source froide du cycle est au moins à 353 K au lieu d'environ 300 K. La borne 1 − Tf/Tc baisse, et le rendement électrique diminue légèrement. On échange un peu de travail contre beaucoup de chaleur utile.
piège : Présenter les 85 % comme un rendement de moteur qui dépasserait Carnot. Ce taux additionne travail et chaleur.
Exercice 9. Chauffer un ballon d'eau
Approfondissement · Type écrit Mines-Ponts
Une pompe à chaleur réversible chauffe 200 kg d'eau (c = 4,18 kJ/(kg·K)) de T₀ = 283 K à T₁ = 333 K. Elle prélève l'énergie dans l'air extérieur, thermostat à T₀. Calculer le travail minimal, puis l'efficacité moyenne.
Technique Source de capacité finie, bilans différentiels.
Voir le corrigé
- Sur un cycle élémentaire, l'eau est à T et reçoit mc dT. Le fluide reçoit donc δQ_c = − mc dT.
- Réversibilité : δQ_c/T + δQ_f/T₀ = 0, donc δQ_f = mc T₀ dT/T.
- Premier principe : δW = mc (1 − T₀/T) dT.
- Intégration : W = mc [(T₁ − T₀) − T₀ ln(T₁/T₀)].
- Application : mc = 836 kJ/K et ln(333/283) ≈ 0,1627, d'où W ≈ 836 × (50 − 46,05) ≈ 3,3 MJ, soit environ 0,92 kWh.
- L'énergie thermique livrée vaut 836 × 50 ≈ 41,8 MJ. L'efficacité moyenne est d'environ 12,7, bien au-dessus de T₁/(T₁ − T₀) = 6,7, car l'essentiel du chauffage se fait à faible écart de température.
piège : Appliquer directement emax = T₁/(T₁ − T₀) comme si l'eau restait à T₁ pendant tout le chauffage.
Exercice 10. Travail maximal entre deux corps
Approfondissement · Type écrit Centrale ou X
Deux corps identiques de capacité thermique C sont initialement à T₁ > T₂. Un moteur réversible fonctionne entre eux jusqu'à ce qu'ils atteignent la même température. Déterminer la température finale et le travail fourni. Comparer avec une mise en contact directe.
Technique Entropie de l'univers nulle en fonctionnement réversible.
Voir le corrigé
- Le fluide est cyclique, sa variation d'entropie est nulle. On étudie le système {corps 1 + corps 2 + fluide}, isolé thermiquement.
- Réversibilité : C ln(TF/T₁) + C ln(TF/T₂) = 0, donc TF = √(T₁T₂).
- Premier principe pour ce système : le travail fourni vaut − W = C (T₁ − TF) − C (TF − T₂) = C (√T₁ − √T₂)² ≥ 0.
- Mise en contact directe : TF = (T₁ + T₂)/2 et aucun travail n'est produit. La moyenne arithmétique dépasse la moyenne géométrique, l'écart d'énergie est celui qui a été converti en travail.
piège : Écrire la conservation de l'énergie des deux corps seuls, ce qui donne à tort la moyenne arithmétique.
Erreurs fréquentes
- Diviser l'inégalité de Clausius par Qf, qui est négatif pour un moteur, sans inverser le sens de l'inégalité.
- Calculer en degrés Celsius dans un rapport de températures.
- Écrire l'entropie échangée avec la température du fluide au lieu de celle de la source.
- Inverser les sources d'un réfrigérateur ou d'un climatiseur. La source froide est toujours le milieu où l'on prélève.
- Appliquer 1 − Tf/Tc comme rendement effectif d'un cycle réel, ou d'un cycle dont les échanges se font à température variable. Ce n'est qu'une borne.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de physique-chimie de PCSI (arrêté de 2021), deuxième semestre, thème 3 « l'énergie, conversions et transferts », partie 3.5 « Machines thermiques ». Elle utilise les deux principes sous forme de bilan, établis dans les deux chapitres précédents.