Machines thermiques/Cycles thermodynamiques

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Un cycle thermodynamique est une suite de transformations où le système thermodynamique part d'un état donné et revient à son état initial à la fin du cycle. On peut alors recommencer le même cycle. Les machines thermodynamiques utilisent des cycles.

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Au cours du cycle, le système voit sa température, sa pression ou d'autres paramètres d'état varier, tandis qu’il échange du travail et de la chaleur avec l'extérieur.

Les cycles se font en général en 4 étapes. On présente ici des cycles thermodynamiques théoriques. Dans les machines réelles, ces cycles sont déformés.

Les cycles le plus connus sont :

le cycle de Carnot ( cycle idéal ) qui offre le rendement maximal.

Le cycle de Beau de Rochas (ou Otto) qui est utilisé par le moteur à essence

Le cycle de Diesel

Le cycle de Stirling

Le cycle de Brayton ( ou cycle de Joule ) qui est utilisé par les turbines à gaz.

Cycle de Carnot

Cycle de Carnot 1-2 : isotherme réversible ; 2-3 : adiabatique réversible ; 3-4 : isotherme réversible ; 4-1 : adiabatique réversible. W est le travail total au cours d'un cycle et est représenté géométriquement par l'aire du cycle.

Cycle de Carnot

Cycle de Beau de Rochas ou cycle Otto

Le cycle de Beau de Rochas est un cycle thermodynamique théorique. Les moteurs à combustion interne à allumage commandé ( i.e. par exemple les moteurs à essence des automobiles ) sont basés sur ce cycle.

cycle de Beau de Rochas Diagramme Pression-Volume L'  alimentation   se fait par une détente isobare, 1-2:  compression   adiabatique. 2-3: Chauffage à volume constant (isochore), 3-4:   expansion adiabatique   . 4-1:   refroidissement isochore   , le cycle se termine par l'échappement (compression isobare).

Diagramme Temperature-Entropie cycle de Beau de Rochas:

Cycle Diesel

Le moteur Diesel est un moteur à combustion interne dont l'allumage est spontané par compression du carburant.

Le cycle comporte une compression adiabatique, une combustion à pression constante, une détente adiabatique et un refroidissement à volume constant.

Cycle Diesel théorique (plan P - V)

Cycle Diesel dans un moteur réel

Cycle Diesel théorique (plan T-S)

Les quatre étapes du moteur Diesel sont:

2-3: admission d'air (descente du piston) ;

3-4: compression de l'air ;

4-5-6: temps moteur : injection du carburant qui se mêle à l'air comprimé et on a la combustion rapide du mélange;

6-1: échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement.

Cycle de Stirling

Le cycle de Stirling est un cycle thermodynamique que décrivent les moteurs Stirling.

Cycle de Stirling théorique

Comme la plupart des cycles thermiques, il comprend quatre étapes: Compression, Chauffage, Détente, Refroidissement.

Le cycle de Stirling théorique comprend quatre étapes:

• 1-2 = détente isotherme. La zone de détente est chauffée par l'extérieur, ainsi le gaz suit une détente isotherme.
• 2-3 = refroidissement à volume constant (isochore). Le gaz passe dans le régénérateur, se refroidit en lui transférant sa chaleur qui sera utilisée pour le cycle suivant.
• 3-4 = compression isotherme. La zone de compression est refroidie, ainsi le gaz suit une compression isotherme.
• 4-1 = chauffage isochore. Le gaz circule dans le régénérateur et prélève de la chaleur.

Le cycle est inversible ce qui signifie que si un travail mécanique est fourni, il peut fonctionner comme une pompe à chaleur et fournir de la chaleur ou du froid (y compris du froid cryogénique). Le cycle est un cycle fermé régénératif utilisant un fluide gazeux qui est en permanence contenu dans la machine thermodynamique ( « Cycle fermé » ).

Cycle de Brayton

Cycle de Brayton (plan P-V)

Diagramme Température-Entropie du cycle théorique et réel de Brayton.