I- Généralités.

1)- Définition.

Une machine thermique : Une machine thermique est un dispositif dans lequel un fluide (gaz ou liquide) passe d’un état initial à un état final identique à l’état initial. Au cours de cette transformation cyclique fermée, le fluide échange du travail et de la chaleur avec le milieu extérieur. Une telle machine thermique est appelée moteur thermique.

 

Un moteur thermique :  Un moteur thermique est un convertisseur d’énergie qui transforme une partie de la chaleur qu’il reçoit en travail mécanique.

 

2)- Les différentes machines thermiques.

a)-  Les moteurs thermiques.

-    Représentation simplifiée du moteur thermique :

 

-    Décrire le fonctionnement du moteur thermique.

-    Remarque T₁ représente la température absolue, elle s’exprime en Kelvin K.

-    Le fluide reçoit la quantité de chaleur Q₁ de la source chaude à la température absolue T₁

-    Il restitue une quantité de chaleur Q₂ à la source froide à la température absolue T₂

-    Une partie de la quantité de chaleur Q₁ est transformée en travail mécanique W_m.

b)-  Le réfrigérateur.

-    Le compresseur du réfrigérateur utilise de l’énergie électrique W_E.

-    Le fluide thermique est comprimé à l’extérieur du réfrigérateur,

-    Il utilise le travail W et cède la quantité de chaleur Q₁ au milieu extérieur.

-    On détend le fluide thermique à l’intérieur du réfrigérateur qui constitue la source froide.

-    On prélève Q₂ à la source froide. On refroidit les aliments situés à l’intérieur du réfrigérateur.

-     Faire le schéma simplifié de la chaîne énergétique.

 

II- La Machine à vapeur.

1)- Fonctionnement d’une machine à vapeur.

 

-    Schéma :

 

-    Donner le principe de fonctionnement d’une machine à vapeur simplifiée.

-    Que constitue la chaudière ?

-    La chaudière constitue la source chaude.

-    Que constitue le condenseur ?

-    Le condenseur constitue la source froide.

-    Indiquer le rôle de la chaudière.

-    La chaudière produit de la vapeur d’eau sous haute pression (20 bars) et à une température de 200 °C.

-    Il est possible de distinguer deux phases : l’admission et l’échappement.

-    Faire une description de chacune des phases en indiquant le rôle joué par chaque élément de la machine à vapeur.

-    Admission : la vanne V₁ est ouverte, la vanne V₂ est fermée.

-    La valeur est admise dans le cylindre et repousse le piston.

-    Le mouvement de translation du piston est transformé en mouvement de rotation du volant grâce au système bielle manivelle.

-    Echappement : lorsque le piston arrive en bout de course, V₁ est fermée et V₂ s’ouvre.

-    Le piston se déplace en sens inverse grâce au mouvement du volant et repousse la vapeur résiduelle dans le condenseur.

 

2)- Bilan énergétique d’un moteur thermique.

-    La machine à vapeur permet de transformer une partie de la chaleur Q₁ fournie par la vapeur en travail mécanique W_m.

-    C’est un moteur thermique à combustion externe.

-    La source de chaleur est située à l’extérieur du moteur.

-     Faire le schéma de la chaîne énergétique.

 

3)- Rendement d’un moteur thermique.

Le rendement thermique d’un moteur est donné par la relation :

-    Remarque :  η₀ est toujours inférieur à 1.

Le rendement théorique d’une machine thermique qui fonctionne entre deux températures T1 (température de la source chaude) et T2 (température de la source froide) est donné par la relation :

-    C’est le rendement maximal d’une machine thermique et T est la température absolue en Kelvin K.

Le rendement global de la machine thermique :

III- Applications.

 

1)- Fonctionnement du moteur à explosion.

-    Les moteurs à explosion (ou moteurs à essence) et les moteurs diesel sont des moteurs à combustion interne.

-    Dans ces moteurs, les gaz de combustion jouent le rôle de fluide moteur.

-    Le cycle est dit ouvert car le fluide est renouvelé à chaque cycle.

 

-    Dans le moteur à explosion, le mélange gazeux air frais-vapeur d’essence

-    est dosé dans le carburateur,

-    aspiré,

-    puis comprimé par le piston dans la chambre de combustion.

 

-    L’allumage du mélange échauffé par la compression est commandé par l’étincelle de la bougie.

 

-    La détente des gaz brûlés qui suit s’accompagne d’un transfert d’énergie à l’arbre moteur par le mécanisme d’embiellage.

 

-    Dans le moteur diesel, l’air frais est aspiré puis comprimé par le piston dans la chambre de combustion.

-    Le gazole est injecté et vaporisé dans l’air chauffé par la compression.

-    L’allumage est spontané, on dit qu’il y a auto-allumage.

-    Les quatre temps du moteur à explosion : Document II

 

 

2)- Moteur à combustion interne.

-    Citer les deux types de moteurs thermiques.

-    Pourquoi parle-t-on de moteur à combustion interne ?

-    Quels sont les quatre temps d’un moteur à essence ?

-    Expliquer le fonctionnement d’un tel moteur.

-    Quelles sont les différences entre un moteur essence et un moteur diesel ?

-    Comment réalise-t-on l’explosion dans un moteur diesel ?

-    Un moteur thermique reçoit par seconde Q₁ = 172 kJ

-    de la réaction de combustion du mélange air frais-carburant

-    et rejette Q₂ = 135 kJ dans l’atmosphère.

-    Le rendement mécanique de la transmission vilebrequin-arbre de sortie du pont est de 92 %.

-    Décrire la chaîne énergétique d’un moteur à combustion interne.

-    Quel est le travail mécanique W_m transféré au vilebrequin pour dix minutes de fonctionnement ?

-    Donner l’expression du rendement thermique et calculer sa valeur.

-    Déterminer le travail mécanique recueilli sur l’arbre de sortie pour dix minutes de fonctionnement.

-    Calculer le rendement global du moteur.

-    Déterminer la puissance de sortie en chevaux-vapeur (1 ch = 0,736 kW).

3)- Chaîne énergétique d’une machine thermique.

-    Une machine thermique de puissance P = 368 W fonctionne entre deux sources de chaleurs :

-    une chaude de température θ₁ = 300 °C et une source froide de température θ₂ = 40 °C.

-    Le rendement thermique η₀ est égal à la moitié du rendement théorique η_théo.

-    Le rendement de la chaudière η_c = 0,72 et le rendement mécanique η_M = 0,93.

-    Représenter la chaîne énergétique et indiquer les formules des quatre rendements.

-    Calculer le rendement théorique et en déduire le rendement thermique.

-    Exprimer le rendement global η_g de la chaîne énergétique en fonction des différents rendements.

-    Calculer le rendement global.

-    Calculer la quantité de chaleur Q produite par la combustion du charbon par seconde.

-    En déduire la masse m de charbon consommé en une heure

-     (Pouvoir calorifique du charbon : 3,34 x 10⁷ J.kg^–1).

-    Quel est le rendement le plus faible ?