Mme LAVIELLE BCPST 1 Chimie/Physique Toulouse-Auzeville 2014/2015. a. Exemple du moteur à explosion (moteur quatre temps)

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1 Mme LAVIELLE BCPST 1 Chimie/Physique Toulouse-Auzeville 2014/2015 CORRECTION ANNEXE : Exemples de machines thermiques usuelles 1. Sans changements d état dans le cycle a. Exemple du moteur à explosion (moteur quatre temps) Description : Le moteur à explosions est constitué d un piston mobile dans un cylindre muni de soupapes d admission et d échappement. L allure de son diagramme de WATT (P,V) est présenté ci-après. 1/17

2 Les points A, B, C, D, E correspondent aux extrema de la pression et du volume. On peut décomposer le cycle du moteur à explosion en quatre phases successives correspondant chacune à un aller simple du piston, deux des quatre phases correspondant à un volume croissant et les deux autres à un volume décroissant : on parle couramment des quatre temps du moteur à explosion. 1 er temps : Admission AB Le cylindre ayant son volume minimal (point A), la soupape d admission s ouvre, le mélange (air-carburant) entre dans le cylindre quasiment à pression atmosphérique constante et le piston se déplace jusqu à ce que le volume du cylindre soit maximal (point B). 2 ième temps : Compression BC La soupape d admission se ferme et le piston comprime le mélange jusqu à ce que le volume du cylindre soit minimal (point C) 3 ième temps : Combustion et détente CDE Au point C, une étincelle électrique provoque l inflammation puis la combustion exothermique du mélange gazeux (on parle de moteur à combustion interne) ; ceci a pour effet d augmenter fortement la pression jusqu à atteindre la pression maximale (point D). Les gaz d échappement (produits de la combustion) se détendent ensuite, le piston se déplaçant jusqu à ce que le volume du cylindre soit maximal (point E). 4 ième temps : Echappement EA Au point E, la soupape d échappement s ouvre sur l atmosphère, l expulsion des gaz d échappement s accompagne d une baisse de la pression et du volume, jusqu à ce que le volume du cylindre soit de nouveau minimal (point A). Alors la soupape d échappement se ferme, la soupape d admission s ouvre et on est ramené au début du premier temps. Sur les quatre temps du moteur à explosion, deux temps sont moteurs (évolution AB et CDE) et deux sont récepteurs (évolutions BC et EA). La figure ci-dessous montre la séquence des opérations du moteur à explosion (moteur à combustion interne) : Thermo. Chapitre : Machines thermiques 2/6

3 Le moteur peut être constitué de quatre cylindres, chacun étant le siège d une opération. Pour le mécanicien les quatre temps correspondent aux 4 ½ tours de l arbre moteur ; mais les 4 étapes (admission, compression, combustion + détente, échappement) ne s identifient pas à la modélisation du cycle subi par le gaz effectuée par le thermodynamicien (4 temps = 2 aller retour au total pour un cycle!) Modélisation : exemple du cycle de BEAU DE ROCHAS : Pour étudier thermodynamiquement le moteur à explosion, on fait les hypothèses simplificatrices suivantes : o le mélange initial (air-carburant) et les gaz d échappement sont assimilés à un même gaz parfait (bonne approximation car l air, en large excès, est constitué de 80 % de diazote, qui réagit très faiblement) ; o ce gaz ne subit ainsi aucune évolution chimique et la chaleur qui lui est fournie provient d une source chaude extérieure fictive ; le fluide ne nécessite pas de renouvellement (les étapes d admission AB et de refoulement BA se compensent exactement, elles n interviennent donc pas dans le bilan énergétique). Ainsi l étude thermodynamique peut se faire à l aide d un système fermé de composition constante. Le diagramme de WATT précédent est remplacé par le diagramme modèle dit de BEAU DE ROCHAS ci-après : Thermo. Chapitre : Machines thermiques 3/6

4 ou, plus simplement : Plus précisément : o l admission est supposée isotherme et isobare à la pression atmosphérique ; o la compression BC et la détente DE sont supposées adiabatiques (on néglige les pertes de chaleur à travers les parois du cylindre) et réversibles (on néglige notamment les frottements) : ces évolutions sont donc isentropiques ; o la combustion CD est modélisée par une évolution isochore car la combustion est assez rapide pour que le piston n ait pas le temps de se déplacer ; o l évolution EB est modélisée par une évolution isochore car l ouverture de la soupape est rapide et ramène le gaz à pression atmosphérique sans que Thermo. Chapitre : Machines thermiques 4/6

5 le piston ait le temps de se déplacer ; le gaz est enfin expulsé dans l atmosphère à pression et température constantes. Ordre de grandeur du rendement : Exemple de la voiture de tourisme En théorie r =58%, dans la réalité (cycles + étroits) 25%. Comparaison avec le cycle de Carnot En théorie r c = 91%. Le moteur fonctionne ainsi de manière irréversible avec un cycle de BEAU DE ROCHAS. Causes d irréversibilité des évolutions isochores : o inégalités de températures entre les sources et le gaz qui est en contact, o existence de frottements mécaniques (non isentropique) o impureté du carburant o volume mort (renouvellement du gaz incomplet). b. Cycle diesel Une des différences principales (à propos du principe de fonctionnement) entre le moteur à essence et le moteur diesel concerne la phase de combustion. Dans le moteur à essence, celle-ci se fait très rapidement, donc à volume quasi-constant : combustion isochore. Pour le moteur diesel, la combustion ne nécessite pas d étincelle. L air est comprimé (sans carburant), puis le carburant est injecté progressivement de manière à rendre la combustion isobare. 2. Avec changements d état La plupart des machines thermiques utilisent les changements d état. Exemples des machines à vapeur (On parle de machine à vapeur lorsque l eau subit des changements d état.) Rendement ou efficacité : théorique : 30 % ; réel : 15 à 20 %. a. Centrale électrique (moteur) : Doc 10 b. Climatiseur (récepteur : appareil frigorifique) : Doc 6 Thermo. Chapitre : Machines thermiques 5/6

6 C est le montage historique des climatiseurs. Remarques : de la vapeur d eau contenue dans la maison se condense sur la source froide et a besoin d être évacuée à l extérieur (cette eau est le plus souvent perdue alors qu elle pourrait être récupérée pour traitement et conservée comme eau potable ou au moins d irrigation). Notons que cette condensation pénalise le système de deux façons : 1) Une partie du transfert de chaleur sert à fournir l énergie de changement d état (passage de la vapeur à l état liquide) sans abaisser la température. Toutefois on peut considérer que si la maison est suffisamment étanche, au bout d un moment la quantité de vapeur d eau dans la pièce finit par baisser et le système peut consacrer plus d énergie à la production de froid, autrement dit à refroidir l air intérieur devenu plus sec. 2) l eau froide obtenue est immédiatement évacuée à l extérieur ce qui représente une perte de froid. Il serait intéressant de récupérer (à l aide d un échangeur) le froid contenu dans cette eau. Un point positif par contre : de l eau est soustraite à l air intérieur de la maison qui est ainsi asséché. Un air sec est meilleur pour la santé, la conservation des objets etc. Thermo. Chapitre : Machines thermiques 6/6

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