Qu'est-ce que « Machine thermodynamique » ? — Physique

Définition 24.1 Physique universitaire — 1re année · Chapitre 24 — Moteurs et machines thermiques

Une machine thermodynamique est un système fermé (le fluide) que l’on fait décrire un cycle, de sorte qu’il revient périodiquement au même état, tout en échangeant un travail $W$ avec l’extérieur et des chaleurs $Q_i$ avec des sources aux températures $T_i$ — des thermostats, dont l’échange ne modifie pas la température. Une machine ditherme utilise deux thermostats : la source chaude à $T_h$ et la source froide à $T_c < T_h$ . C’est un moteur si elle fournit du travail ( $W < 0$ ), un réfrigérateur si elle est entraînée ( $W > 0$ ) pour prélever de la chaleur à la source froide, une pompe à chaleur si elle est entraînée pour en céder à la source chaude. Toutes les grandeurs sont comptées sur un cycle, algébriquement, comme reçues par le fluide.

Les deux sens de parcours d’un cycle ditherme. À gauche : le moteur prend de la chaleur à la source chaude, en rejette une partie à la source froide et fournit la différence en travail. À droite : la même machine entraînée à l’envers pompe la chaleur du froid vers le chaud ; c’est un réfrigérateur si l’on veut Q_c, une pompe à chaleur si l’on veut |Q_h|. — Les deux sens de parcours d’un cycle ditherme. À gauche : le moteur prend de la chaleur à la source chaude, en rejette une partie à la source froide et fournit la différence en travail. À droite : la même machine entraînée à l’envers pompe la chaleur du froid vers le chaud ; c’est un réfrigérateur si l’on veut $Q_c$ , une pompe à chaleur si l’on veut $|Q_h|$ .

Exemples

Exemple 24.6 (Trois nombres)

Une turbine à vapeur entre $T_h = 800\,\mathrm{K}$ et une rivière à $T_c = 300\,\mathrm{K}$ : $\eta_C = 0.625$ ; les centrales réelles atteignent environ $0.40$ . Un réfrigérateur domestique entre $275\,\mathrm{K}$ à l’intérieur et une cuisine à $298\,\mathrm{K}$ : $e_f \leq 275/23 = 12$ ; les machines réelles donnent $2$ à $4$ . Une pompe à chaleur qui chauffe une maison à $293\,\mathrm{K}$ à partir d’un air à $273\,\mathrm{K}$ : $e_p \leq 293/20 = 14.7$ ; les pompes réelles donnent $3$ à $5$ — trois à cinq fois encore ce que la même électricité donnerait dans une résistance (Problème 24.1).

Exemple 24.18 (Pompe à chaleur ou résistance ?)

Une maison qui perd $6\,\mathrm{kW}$ par $-5{}^{\circ}\mathrm{C}$ au-dehors demande $6\,\mathrm{kW}$ d’électricité avec des résistances ; une pompe à chaleur idéale de $268\,\mathrm{K}$ vers $293\,\mathrm{K}$ n’en demanderait que $6/11.7 = 0.51\,\mathrm{kW}$ ; une pompe réelle, avec des températures d’échangeurs de $260\,\mathrm{K}$ et $313\,\mathrm{K}$ et un facteur de qualité $0.55$ , soit $e_p = 0.55 \times 313/53 = 3.2$ , en demande $1.9\,\mathrm{kW}$ . Le problème du week-end parcourt toute la saison, entropie comprise.

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Exemples

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