Les moteurs thermiques transforment l’énergie thermique, ou chaleur, Qin en énergie mécanique, ou travail, Wout. Ils ne peuvent pas accomplir cette tâche parfaitement, de sorte qu’une partie de l’énergie thermique d’entrée n’est pas convertie en travail, mais est dissipée sous forme de chaleur résiduelle Qout dans l’environnement
Q i n = W o u t + Q o u t {\displaystyle Q_{in}=W_{\rm {out}}+Q_{\rm {out}}\,}
Le rendement thermique d’un moteur thermique est le pourcentage d’énergie thermique qui est transformé en travail. Le rendement thermique est défini comme suit
η t h ≡ W o u t Q i n = Q i n – Q o u t Q i n = 1 – Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{\rm {th}\equiv {\frac {W_{\rm {out}}{Q_{\rm {in}}}}={\frac {{Q_{\rm {in}}-Q_{\rm {out}}{Q_{\rm {in}}}}=1-{\frac {Q_{\rm {out}}{Q_{\rm {in}}}}}
Le rendement des moteurs thermiques, même les meilleurs, est faible ; généralement inférieur à 50 % et souvent très inférieur. L’énergie perdue dans l’environnement par les moteurs thermiques constitue donc un gaspillage important des ressources énergétiques. Étant donné qu’une grande partie des combustibles produits dans le monde sert à alimenter les moteurs thermiques, peut-être jusqu’à la moitié de l’énergie utile produite dans le monde est perdue en raison de l’inefficacité des moteurs, bien que les systèmes modernes de cogénération, de cycle combiné et de recyclage de l’énergie commencent à utiliser cette chaleur à d’autres fins. Cette inefficacité peut être attribuée à trois causes. Il existe une limite théorique globale à l’efficacité de tout moteur thermique due à la température, appelée rendement de Carnot. Deuxièmement, des types spécifiques de moteurs ont des limites inférieures à leur efficacité en raison de l’irréversibilité inhérente du cycle moteur qu’ils utilisent. Troisièmement, le comportement non idéal des moteurs réels, tels que la friction mécanique et les pertes dans le processus de combustion, entraîne des pertes d’efficacité supplémentaires.
Le rendement de CarnotÉditer
La deuxième loi de la thermodynamique met une limite fondamentale sur l’efficacité thermique de tous les moteurs thermiques. Même un moteur idéal, sans friction, ne peut pas convertir près de 100% de sa chaleur d’entrée en travail. Les facteurs limitatifs sont la température à laquelle la chaleur entre dans le moteur, T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\,}
, et la température du milieu dans lequel le moteur évacue sa chaleur résiduelle, T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\,}
, mesurée dans une échelle absolue, telle que l’échelle de Kelvin ou de Rankine. D’après le théorème de Carnot, pour tout moteur fonctionnant entre ces deux températures : η t h ≤ 1 – T C T H isplaystyle \eta _{\rm {th}\leq 1-{\frac {T_{\rm {C}}{T_{\rm {H}}}}\,}
Cette valeur limite est appelée rendement du cycle de Carnot car il s’agit du rendement d’un cycle moteur idéal et réversible inatteignable appelé cycle de Carnot. Aucun dispositif transformant la chaleur en énergie mécanique, quelle que soit sa construction, ne peut dépasser ce rendement.
Des exemples de T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\,}
sont la température de la vapeur chaude entrant dans la turbine d’une centrale à vapeur, ou la température à laquelle le carburant brûle dans un moteur à combustion interne. T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\,}
est généralement la température ambiante où se trouve le moteur, ou la température d’un lac ou d’une rivière dans lequel la chaleur résiduelle est évacuée. Par exemple, si un moteur automobile brûle de l’essence à une température de T H = 816 ∘ C = 1500 ∘ F = 1089 K {\displaystyle T_{\rm {H}}=816^{\circ }{\text{C}}=1500^{\circ }{\text{F}}=1089{\text{K}},}
et la température ambiante est T C = 21 ∘ C = 70 ∘ F = 294 K {\displaystyle T_{\rm {C}}=21^{\circ }{\text{C}}=70^{\circ }{\text{F}}=294{\text{K}},}
, alors son efficacité maximale possible est : η t h ≤ ( 1 – 294 K 1089 K ) 100 % = 73.0 % {\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq \left(1-{\frac {294K}{1089K}}\right)100\%=73.0\%}
On peut voir que puisque T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\,}
est fixé par l’environnement, la seule façon pour un concepteur d’augmenter le rendement de Carnot d’un moteur est d’augmenter T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\,}
, la température à laquelle la chaleur est ajoutée au moteur. L’efficacité des moteurs thermiques ordinaires augmente aussi généralement avec la température de fonctionnement, et les matériaux structurels avancés qui permettent aux moteurs de fonctionner à des températures plus élevées constituent un domaine de recherche actif.
En raison des autres causes détaillées ci-dessous, les moteurs pratiques ont des rendements bien inférieurs à la limite de Carnot. Par exemple, le moteur automobile moyen a un rendement inférieur à 35 %.
Le théorème de Carnot s’applique aux cycles thermodynamiques, où l’énergie thermique est convertie en travail mécanique. Les dispositifs qui convertissent directement l’énergie chimique d’un combustible en travail électrique, comme les piles à combustible, peuvent dépasser le rendement de Carnot.
Efficacité du cycle moteurEdit
Le cycle de Carnot est réversible et représente donc la limite supérieure du rendement d’un cycle moteur. Les cycles moteurs pratiques sont irréversibles et ont donc un rendement intrinsèquement inférieur au rendement de Carnot lorsqu’ils fonctionnent entre les mêmes températures T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\,}
et T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\,}
. L’un des facteurs déterminant le rendement est la manière dont la chaleur est ajoutée au fluide de travail dans le cycle, et la manière dont elle est évacuée. Le cycle de Carnot atteint un rendement maximal car toute la chaleur est ajoutée au fluide de travail à la température maximale T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\,}
, et retiré à la température minimale T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\,}
. En revanche, dans un moteur à combustion interne, la température du mélange air-carburant dans le cylindre est loin d’atteindre sa température maximale lorsque le carburant commence à brûler, et n’atteint la température maximale que lorsque tout le carburant est consommé, de sorte que la température moyenne à laquelle la chaleur est ajoutée est plus faible, ce qui réduit le rendement.
Un paramètre important dans l’efficacité des moteurs à combustion est le rapport de chaleur spécifique du mélange air-carburant, γ. Il varie quelque peu avec le carburant, mais est généralement proche de la valeur de l’air de 1,4. Cette valeur standard est généralement utilisée dans les équations du cycle moteur ci-dessous, et lorsque cette approximation est faite, le cycle est appelé cycle standard à l’air.
- Cycle d’Otto : automobiles Le cycle d’Otto est le nom du cycle utilisé dans les moteurs à combustion interne à allumage commandé, comme les moteurs automobiles à essence et à hydrogène. Son rendement théorique dépend du taux de compression r du moteur et du rapport de chaleur spécifique γ du gaz dans la chambre de combustion.:558
η t h = 1 – 1 r γ – 1 {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}},}
Ainsi, le rendement augmente avec le taux de compression. Cependant, le taux de compression des moteurs à cycle d’Otto est limité par la nécessité d’empêcher la combustion incontrôlée connue sous le nom de cliquetis. Les moteurs modernes ont des taux de compression de l’ordre de 8 à 11, ce qui donne des rendements de cycle idéal de 56% à 61%.
- Cycle diesel : camions et trains Dans le cycle diesel utilisé dans les moteurs diesel des camions et des trains, le carburant est allumé par la compression dans le cylindre. Le rendement du cycle Diesel dépend de r et γ comme le cycle Otto, mais aussi du rapport de coupure, rc, qui est le rapport du volume du cylindre au début et à la fin du processus de combustion :
η t h = 1 – r 1 – γ ( r c γ – 1 ) γ ( r c – 1 ) {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {r^{1-\gamma }(r_{\rm {c}}^{\gamma }-1)}{\gamma (r_{\rm {c}}-1)}},
Le cycle diesel est moins efficace que le cycle d’Otto lorsqu’on utilise le même taux de compression. Cependant, dans la pratique, les moteurs diesel sont de 30 à 35 % plus efficaces que les moteurs à essence. Cela est dû au fait que, puisque le carburant n’est pas introduit dans la chambre de combustion jusqu’à ce qu’il soit nécessaire pour l’allumage, le taux de compression n’est pas limité par la nécessité d’éviter le cognement, de sorte que des ratios plus élevés sont utilisés que dans les moteurs à allumage par étincelle.
- Cycle de Rankine : centrales à vapeur Le cycle de Rankine est le cycle utilisé dans les centrales à turbine à vapeur. L’écrasante majorité de l’énergie électrique mondiale est produite avec ce cycle. Comme le fluide de travail du cycle, l’eau, passe de l’état liquide à l’état de vapeur et inversement au cours du cycle, leurs rendements dépendent des propriétés thermodynamiques de l’eau. Le rendement thermique des centrales modernes à turbine à vapeur avec des cycles de réchauffage peut atteindre 47%, et dans les centrales à cycle combiné, dans lesquelles une turbine à vapeur est alimentée par la chaleur d’échappement d’une turbine à gaz, il peut approcher 60%.
- Cycle de Brayton : turbines à gaz et moteurs à réaction Le cycle de Brayton est le cycle utilisé dans les turbines à gaz et les moteurs à réaction. Il se compose d’un compresseur qui augmente la pression de l’air entrant, puis le combustible est ajouté en continu au flux et brûlé, et les gaz d’échappement chauds sont détendus dans une turbine. Le rendement dépend en grande partie du rapport entre la pression à l’intérieur de la chambre de combustion p2 et la pression à l’extérieur p1
η t h = 1 – ( p 2 p 1 ) 1 – γ γ {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\bigg (}{\frac {p_{2}}{p_{1}}{\bigg )}^{\frac {1-\gamma }{\gamma }},
Autres rendementsEdit
Il ne faut pas confondre le rendement thermique avec d’autres rendements qui sont utilisés lorsqu’on parle de moteurs. Les formules de rendement ci-dessus sont basées sur des modèles mathématiques simples et idéalisés de moteurs, sans friction et avec des fluides de travail qui obéissent à des règles thermodynamiques simples appelées la loi des gaz idéaux. Les moteurs réels présentent de nombreux écarts par rapport au comportement idéal qui gaspillent de l’énergie, réduisant les rendements réels en dessous des valeurs théoriques données ci-dessus. En voici quelques exemples :
- frottement des pièces mobiles
- combustion inefficace
- perte de chaleur de la chambre de combustion
- écart du fluide de travail par rapport aux propriétés thermodynamiques d’un gaz idéal
- traînée aérodynamique de l’air se déplaçant dans le moteur
- énergie utilisée par les équipements auxiliaires comme les pompes à huile et à eau.
- inefficient compressors and turbines
- imperfect valve timing
These factors may be accounted when analyzing thermodynamic cycles, however discussion of how to do so is outside the scope of this article.