Machines thermiques/Étude théorique
Qu'est-ce qu'une machine thermique ?
modifierUne machine thermique (notée ) est un système qui peut effectuer un nombre indéfini de cycles, échangeant au cours d'un cycle :
- une quantité de chaleur Q₁ avec une source chaude (à la température T₁)
- une quantité de chaleur Q₂ avec une source froide (à la température T₂)
- un travail W avec le milieu extérieur.
Modélisation
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Pour l'étude des machines, on fait les hypothèses suivantes:
- T₁ > T₂ (source chaude / froide)
- n'échange que de la chaleur avec et
- n'échange que du travail avec le milieu extérieur
- On suppose que le cycle est réversible et dans ce cas la variation d'entropie globale est nulle (pour les machines réelles, on peut avoir des étapes irréversibles et il y a alors création d'entropie).
- La variation d'entropie du système extérieur est nulle
Bilan énergétique et entropique
modifierOn remarque que la variation d'entropie de est nulle au cours d'un cycle réversible: lors d'un cycle, l'état initial et l'état final sont les mêmes. De même, lors d'un cycle, la variation d'énergie interne de est nulle.
Remarque: on ne peut évidemment pas dire la même chose ni de , ni de ni du milieu extérieur. L'évolution de leur état n’est pas cyclique.
On applique les principes de la thermodynamique à :
- , où est l'entropie échangée entre les systèmes et l'entropie créée.
En thermodynamique, on utilise la « convention du banquier » pour le signe des échanges d'énergie; donc:
- Lorsque Q₁, Q₂ ou W est positif, cela signifie que la machine thermique reçoit de l'énergie de la part de (respectivement) , ou du milieu extérieur. On flèche alors les traits sur le diagramme de la machine vers .
- À l'inverse, lorsque Q₁, Q₂ ou W est négatif, cela signifie que la machine thermique cède de l'énergie à (respectivement) , ou au milieu extérieur. On oriente les flèche dans l'autre sens (partant de ).
- Cette « convention du banquier » est à présent utilisée en principe dans tous les livres de thermodynamique mais attention, dans les livres anciens, on peut trouver d'autres conventions avec des signes différents lors des échanges d'énergie.