Chaud ou froid? O n t h e T r a c k o f M o d e r n P h y s i c s

Présentation au sujet: "Chaud ou froid? O n t h e T r a c k o f M o d e r n P h y s i c s"— Transcription de la présentation:

1 Chaud ou froid? O n t h e T r a c k o f M o d e r n P h y s i c s
À plein gaz Sadi-Nicolas Carnot, fils d’un générale mourut de choléra à 36 ans. Son seul travail Reflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance jeta le bases de la thermodynamique. La seule méthode pour “contourner” la lois de Carnot c’est d’augmenter la température de combustion (en utilisant des nouveaux matériaux pour les turbines). À températures de 1400°C rendements d’à peu près 60% peuvent etre atteints. S. -N. Carnot ( ) Une conclusion importante de l’analyse du cycle de Carnot c’est que le rendement théorique maximum des moteurs à chaleur est directement lié à : rendement = (TH-TC)/TH Rendement de Carnot Chaleur entrante Expansion isotherme à TH Compression isotherme à TC Chaleur sortante Adiabatique Volume Pression Selection de rendements pic de rendement des action ou des outils(%) homme, nager, surface homme, nager, sous la surface human, déblayer moteur à vapeur homme, vélo moteur à essence turbine à gaz naturel contractions musculaires turbine couplée (gaz-vapeur) 60 celles à combustible 60 moteur électrique 80 turbine couplée chaleur-puissance 95 Le cycle de Carnot est une idéalisation, puisque aucun processus d’un moteur réel est réversible et tout processus physique implique une petite « perte d’énergie » dite entropie. Le cycle de Carnot en forme graphique a été introduit par Emile Clapeyron en 1834. Pour tout processus irréversible, le rendement est plus petit que celui du cycle de Carnot. Cela peut être associé avec un flux de chaleur plus petit vers le système ou un flux plus grand sortant du système. Le résultat inévitable est l’inégalité de Clausius. Le silencieux Stirling En 1769, le tout premier véhicule à propulsion autonome était un tracteur militaire inventé par un ingénieur et mécanicien français, Nicolas Joseph Cugnot ( ). Cugnot utilisa un moteur à vapeur pour alimenter son véhicule, construit en suivant ses instructions à l’Arsenale de Paris par le mécanicien Brezin. Il a été utilisé par l’Armée Française pour traîner l’artillerie à l’exorbitante vitesse de 4 km/h sur juste 3 roues. Parfois c’est important d’utiliser des petites différences de température. L’invention du pasteur écossais Robert Stirling est doté de deux pistons et utilise soit le réchauffement soit le refroidissement d’un gaz. Il atteint un rendement jusqu’au 40%. Ces deux moteurs à droite ont besoin d’une différences de température très petite. L’oiseux qui boit et le thermomètre de l’amour. Pas seulement Carnot Celles à combustible Dans un moteur Diesel , l’air est comprimé adiabatiquement d’un facteur de 15 à 20. Cette compression augmente la température jusqu’à la température d’ignition du mélange de combustible qui se forme en injectant le combustible une fois que l’on a comprimé l’air. Injection et combustion du carburant Power stroke Adiabatic compression Décharge a e d b c Pression Volume V1 V2 V3 Q1 Q2 P0 Les piles à combustible sont une façon de « tricher » sur l’équation de Carnot. L’hydrogène et l’oxygène ne sont pas brûlés, mais recombinés de façon chimique: d’abord ils dissocient dans les respectifs ions et après filtrent à travers une membrane spéciale et recombinent en donnant de l’eau et de l’énergie. Elles seraient une réelle alternative aux moteurs à combustion, si les membranes n’étaient pas chères et ne pas fiables et il n’avait pas de problèmes de stockage pour l’hydrogène. Volume Aspiration Décharge Réjection de la chaleur Puissance Compression Processus de combustion Processus à volume constant Processus adiabatique 1 2 3 4 5 6 Pression Dans le cycle Otto le mélange d’air et essence est prise à pression, puis comprimé adiabatiquement et allumé (3-4) à volume constant; le parcours du travail est 4-5, et en 5-6 les fumées sont déchargés. La turbine à gaz est un exemple usuel d’un système à cycle Brayton ouvert. L’air est aspiré dans un compresseur, chauffé et détente à travers d’une turbine,et déchargé dans l’atmosphère. Grace à la pompe de chaleur basée sur l'effet Peltier, on peut chauffer ou refroidir des plats attachés à notre cou. L'effet Peltier est un principle thermo-électrique où un courant électrique permet à la chaleur d'être absorbée d'un côté lorsque de la chaleur est rejetée de l'autre. Le cycle Brayton n’est pas seulement utilisé dans les turbines d’avion, mais aussi dans les turbines à gaz utilisées pour produire de l’électricité. Comme ça, à la question s’ils nous faut du chaud ou du froid, Carnot répondit: soit du chaud, soit du froid. Effet Peltier "à porter" 4/1