CHAPITRE V
PRINCIPE DE CARNOT- les machines thermiques
I-INTRODUCTION
Le premier principe permet d'établir une relation mathématique entre deux
états d'équilibre A et B, mais il ne permet pas de prévoir le sens de l'évolution du
système. Le deuxième principe nous renseigne sur le sens de cette évolution.
D'après le premier principe, pour une transformation quelconque :
W+Q = ΔU
Cycle
Un système thermodynamique décrit un cycle lorsque, après avoir subi des échanges
énergétiques de toutes sortes avec le milieu extérieur, il retourne finalement à son
état initial.
Les paramètres d’état (P,V,T,U,H,...) sont donc globalement inchangés.
1er principe →ΔU =W + Q = 0
W+Q = 0
Il existe deux types de cycles suivant le sens dans lequel le travail et la chaleur sont
échangés
avec l’extérieur :
• Cycle récepteur : W > 0 , Q < 0
Le système reçoit une énergie positive sous forme de travail et le restitue au milieu
extérieur sous forme de chaleur
Exemple : Système de freinage
Considérons un arbre que l’on fait tourner : W > 0
On serre des mâchoires de frein autour de l’arbre.
Il y a frottement et dégagement de chaleur : Q < 0
L’ensemble est placé dans un courant d’eau (thermostat).
La température de l’arbre reste donc constante : ΔU = 0
• Cycle moteur : W < 0 , Q > 0
Le système reçoit de l’énergie sous forme de chaleur et restitue cette énergie au
milieu extérieur sous forme de travail
Exemple : Piston
Considérons un piston bloqué en contact avec un thermostat
1
, Le piston est sous pression par élévation de température : Q > 0
Le déblocage du piston produit un déplacement du piston : W < 0
Et le gaz à subit une détente isotherme : DU = 0
*Exemples d'obtention du travail : énergie mécanique
On ne peut obtenir du travail que si on a différents niveaux d'énergie potentielle,
c.à.d une variation de niveaux d'énergie potentielle.
L'énergie hydraulique en est un exemple: en effet la chute de l'eau actionne des
turbines qui produisent du courant électrique.
On peut également obtenir du travail si on dispose de deux niveaux d'énergie
thermique ou plus précisément deux sources de chaleur.
Rappel : définition d’une source de chaleur :
C'est un corps ou un ensemble de corps dont la température T est bien définie.
Source de chaleur à
T1
Source de chaleur à
T2
Schéma: avec T1 > T2
L'énergie thermique de la source T1 est supérieure à celle de la source T2.
II- ENONCES
1) Enoncé de CLAUSIUS:
Le passage de la chaleur d'un corps froid à un corps chaud n'a jamais lieu
sans intervention du milieu extérieur.
2) Enoncé de KELVIN:
Soit un système thermodynamique échangeant de la chaleur avec une source de
chaleur T0
2
PRINCIPE DE CARNOT- les machines thermiques
I-INTRODUCTION
Le premier principe permet d'établir une relation mathématique entre deux
états d'équilibre A et B, mais il ne permet pas de prévoir le sens de l'évolution du
système. Le deuxième principe nous renseigne sur le sens de cette évolution.
D'après le premier principe, pour une transformation quelconque :
W+Q = ΔU
Cycle
Un système thermodynamique décrit un cycle lorsque, après avoir subi des échanges
énergétiques de toutes sortes avec le milieu extérieur, il retourne finalement à son
état initial.
Les paramètres d’état (P,V,T,U,H,...) sont donc globalement inchangés.
1er principe →ΔU =W + Q = 0
W+Q = 0
Il existe deux types de cycles suivant le sens dans lequel le travail et la chaleur sont
échangés
avec l’extérieur :
• Cycle récepteur : W > 0 , Q < 0
Le système reçoit une énergie positive sous forme de travail et le restitue au milieu
extérieur sous forme de chaleur
Exemple : Système de freinage
Considérons un arbre que l’on fait tourner : W > 0
On serre des mâchoires de frein autour de l’arbre.
Il y a frottement et dégagement de chaleur : Q < 0
L’ensemble est placé dans un courant d’eau (thermostat).
La température de l’arbre reste donc constante : ΔU = 0
• Cycle moteur : W < 0 , Q > 0
Le système reçoit de l’énergie sous forme de chaleur et restitue cette énergie au
milieu extérieur sous forme de travail
Exemple : Piston
Considérons un piston bloqué en contact avec un thermostat
1
, Le piston est sous pression par élévation de température : Q > 0
Le déblocage du piston produit un déplacement du piston : W < 0
Et le gaz à subit une détente isotherme : DU = 0
*Exemples d'obtention du travail : énergie mécanique
On ne peut obtenir du travail que si on a différents niveaux d'énergie potentielle,
c.à.d une variation de niveaux d'énergie potentielle.
L'énergie hydraulique en est un exemple: en effet la chute de l'eau actionne des
turbines qui produisent du courant électrique.
On peut également obtenir du travail si on dispose de deux niveaux d'énergie
thermique ou plus précisément deux sources de chaleur.
Rappel : définition d’une source de chaleur :
C'est un corps ou un ensemble de corps dont la température T est bien définie.
Source de chaleur à
T1
Source de chaleur à
T2
Schéma: avec T1 > T2
L'énergie thermique de la source T1 est supérieure à celle de la source T2.
II- ENONCES
1) Enoncé de CLAUSIUS:
Le passage de la chaleur d'un corps froid à un corps chaud n'a jamais lieu
sans intervention du milieu extérieur.
2) Enoncé de KELVIN:
Soit un système thermodynamique échangeant de la chaleur avec une source de
chaleur T0
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