Sciences · Physique
Les machines thermiques
Une machine thermique échange de la chaleur avec une source chaude et une source froide pour produire du travail (moteur) ou pour transférer de la chaleur du froid vers le chaud (réfrigérateur, pompe à chaleur).
Mis à jour le 5 min de lecture
Moteur de voiture, centrale électrique, réacteur d’avion, réfrigérateur, climatiseur, pompe à chaleur : toutes ces machines obéissent aux mêmes principes. Elles font circuler un fluide qui échange de la chaleur et du travail au cours d’un cycle. La thermodynamique est née de leur étude au XIXe siècle, et elle fixe des limites indépassables à leur efficacité.
Le principe général
Une machine thermique dithermique (à deux sources) fonctionne entre :
- une source chaude, à la température
T_c(chaudière, chambre de combustion, air extérieur pour une pompe à chaleur) ; - une source froide, à la température
T_f(atmosphère, rivière, intérieur du réfrigérateur).
Sur un cycle complet, l’énergie se conserve (premier principe) :
W = Q_c − Q_f
Le moteur reçoit la chaleur Q_c de la source chaude, en rejette une partie Q_f vers la source froide, et fournit la différence sous forme de travail W.
Le rendement d’un moteur
Le rendement est le rapport entre le travail fourni et la chaleur reçue : η = W / Q_c.
En 1824, le jeune ingénieur français Sadi Carnot publie Réflexions sur la puissance motrice du feu. Il montre que le rendement d’un moteur fonctionnant entre deux températures ne peut pas dépasser une valeur maximale, atteinte par une machine idéale réversible, le cycle de Carnot :
η_max = 1 − T_f / T_c
avec des températures en kelvins (voir Celsius, Fahrenheit et Kelvin).
Pour améliorer le rendement, il faut augmenter la température chaude ou abaisser la froide. Les centrales à cycle combiné gaz, avec des gaz à plus de 1 400 °C dans la turbine, dépassent 60 %.
Les principaux moteurs thermiques
| Moteur | Type | Rendement réel typique | Exemples |
|---|---|---|---|
| Machine à vapeur ancienne | combustion externe | 5 à 15 % | locomotives à vapeur (voir machine à vapeur) |
| Turbine à vapeur de centrale | combustion externe | 33 à 45 % | centrales nucléaires, à charbon |
| Moteur à essence (cycle de Beau de Rochas) | combustion interne | 25 à 38 % | voitures |
| Moteur Diesel | combustion interne | 30 à 45 % | camions, navires, voitures |
| Turbine à gaz | combustion interne | 35 à 40 % seule | avions, centrales |
| Cycle combiné gaz-vapeur | combustion interne et externe | jusqu’à 60 % et plus | centrales électriques |
| Moteur Stirling | combustion externe | 20 à 40 % | sous-marins, solaire à concentration |
Le moteur à quatre temps
Le moteur à essence des voitures suit le cycle décrit par le Français Alphonse Beau de Rochas en 1862 et mis en œuvre par l’Allemand Nikolaus Otto en 1876 :
- Admission : le piston descend et aspire le mélange air-carburant.
- Compression : le piston remonte et comprime le mélange.
- Combustion-détente : une bougie enflamme le mélange (voir combustion) ; les gaz chauds repoussent le piston, seul temps moteur.
- Échappement : le piston remonte et chasse les gaz brûlés.
Le moteur Diesel, inventé par Rudolf Diesel dans les années 1890, se passe de bougie : l’air est tellement comprimé que sa température suffit à enflammer le gazole injecté. Son taux de compression plus élevé lui donne un meilleur rendement.
Les machines frigorifiques et les pompes à chaleur
Une machine frigorifique fonctionne à l’envers d’un moteur : elle reçoit du travail (un compresseur électrique) pour extraire de la chaleur d’une source froide et la rejeter vers une source chaude. Le principe repose sur un fluide frigorigène qui :
- s'évapore à basse pression dans l’évaporateur, en absorbant de la chaleur (l’intérieur du réfrigérateur se refroidit) ;
- est comprimé par le compresseur, ce qui élève sa température ;
- se condense dans le condenseur, en cédant sa chaleur (la grille à l’arrière du réfrigérateur est chaude) ;
- se détend dans un détendeur, ce qui le refroidit fortement, avant de recommencer.
| Appareil | Source froide | Source chaude | Effet recherché |
|---|---|---|---|
| Réfrigérateur, congélateur | intérieur de l’appareil | cuisine | refroidir |
| Climatiseur | intérieur du logement | extérieur | refroidir |
| Pompe à chaleur | air, sol ou eau extérieurs | intérieur du logement | chauffer |
Le coefficient de performance (COP)
Pour ces machines, on ne parle pas de rendement mais de coefficient de performance : le rapport entre la chaleur utile et le travail électrique consommé. Il est souvent supérieur à 1, car la machine ne produit pas la chaleur, elle la déplace.
Le COP maximal théorique d’une pompe à chaleur vaut T_c / (T_c − T_f). Il diminue quand l’écart de température augmente : une pompe à chaleur est moins efficace par grand froid.
Une histoire liée à la révolution industrielle
Les machines à vapeur de Thomas Newcomen (1712) puis de James Watt (années 1760-1780) ont été construites bien avant qu’on en comprenne la physique. Ce sont elles qui ont poussé Carnot, puis Clausius, Kelvin et Joule à fonder la thermodynamique. Selon une formule souvent citée, la science doit davantage à la machine à vapeur que la machine à vapeur à la science.
Questions fréquentes
Pourquoi un moteur thermique a-t-il un rendement limité ?
Le deuxième principe de la thermodynamique impose de rejeter une partie de la chaleur vers une source froide. Le rendement maximal possible, celui de Carnot, dépend uniquement des températures des deux sources ; les frottements et les pertes réduisent encore le rendement réel.
Quel est le rendement d’un moteur de voiture ?
Environ 25 à 38 % pour un moteur à essence et 30 à 45 % pour un Diesel, dans les meilleures conditions. En usage réel, avec les phases de ralenti et d’accélération, il est souvent plus faible.
Comment une pompe à chaleur peut-elle avoir un rendement supérieur à 100 % ?
Elle ne crée pas d’énergie : elle prélève de la chaleur gratuite dans l’air, le sol ou l’eau, et utilise l’électricité seulement pour la déplacer vers l’intérieur. La chaleur fournie dépasse donc l’électricité consommée.
Pourquoi l’arrière d’un réfrigérateur est-il chaud ?
Parce que la chaleur extraite de l’intérieur, augmentée de l’énergie du compresseur, est rejetée dans la cuisine par le condenseur situé à l’arrière ou sur les côtés.