FORMULES de PHYSIQUE
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MACHINES THERMIQUES
-machines thermiques
Il y a 2 types de machines thermiques :
1.MACHINES de PRODUCTION de TRAVAIL
Les machines thermiques ont ici pour rôle de produire du travail à partir d'échanges de chaleur
-principe de Carnot pour produire du travail, il faut prélever de la chaleur à la source chaude mais aussi en rejeter une partie à la source froide
-moteur thermique
voir chapitre spécial
-machines irréversibles ce sont des machines du genre Compresseur ou Turbine
(machines à fluide compressible)
-les ventilateurs ont un taux de compression inférieur à 1,20
-les soufflantes ont un taux de compression compris entre 1,20 et 2
-les compresseurs ont un taux de compression supérieur à 2
Rappel: le taux de compression (i*z) est le rapport entre les volumes avant et après la compression
-machines réversibles
-exemple d'une machine du genre Tuyère
Le travail W effectué par une machine réversible est
W = C1(Tf -T1) + C2(Tf -T2)
avec C1 et 2(J/K)= capacités thermiques des corps 1 et 2 échangeant la chaleur
T1 et 2(K)= températures initiales des corps 1 et 2
Tf(K)= température finale du mélange de 1 et 2
-exemple d'une pile électrique réversible (et isotherme) >> la variation d’enthalpie est :
ΔH = q.C*.ΔU
ΔH(J/K)= variation d’enthalpie
q(mol)= quantité de matière
C*(C/mol)= charge molaire
ΔU(V)= différence de potentiel d’induction électrique
Les machines thermiques de ce paragraphe ont pour rôle de produire de la chaleur (ou du froid) à partir d’un travail
2.MACHINES de PRODUCTION de CHALEUR (ou de FROID)
Ce sont des systèmes thermodynamiquement ouverts.
Pour un fonctionnement stationnaire (ou pour la valeur efficace d’un fonctionnement périodique), le bilan du 1° principe de thermodynamique donne :
(ΔEc+ ΔEé+ ΔEp+ Ef+ Eh+ H = ΔW + ΔEq) mais en pratique ΔEé, Ef et Eh ~ 0
d’où la formule simplifiée: ΔEc+ ΔEp+ H = ΔW + ΔEq
où Ec = énergie cinétique interne
ΔEp = accroissement d’énergie potentielle entre l’entrée et la sortie du système,
Eq = chaleur fournie par l’extérieur
W = énergie mécanique utile produite par la machine
-machine motrice: son cycle (2 compressions et 2 absorptions) est dans le sens direct (comme le cycle de Carnot)
W < 0 et ΔEq > 0 (on prend de la chaleur à la source chaude pour produire un travail qui servira à donner de la chaleur à la source froide)
-machine opératrice ou réceptrice: son cycle -similaire à la motrice- est dans le sens inverse (rétrograde)
W > 0 et ΔEq < 0 (on fournit du travail pour prendre de la chaleur à la source froide et qui est donnée à la source chaude)
-le travail est fourni ici par de l’énergie extérieure (électricité, carburant, fluide chaud..)
C'est le cas d'une pompe à chaleur chauffante, utilisant l’apport de chaleur en source chaude et le cas d'un réfrigérateur (ou une pompe à chaleur réfrigérante) utilisant le refroidissement de la source froide
Si Tf et Tc sont les températures des sources froide SF et chaude SC, le rendement de Carnot pour ces machines est
rC = (Tc-Tf) / Tc
-on appelle coefficient amplificateur thermique (cas de création de chaleur) le rapport
>> (quantité de chaleur affectée au chauffage / travail fourni à la pompe)
-on appelle coefficient de performance EER d’une pompe à chaleur (cas de création de froid) le rapport énergétique :
(énergie prélevée pour l'évaporation) / (énergie consommée pour la production)
-on appelle coefficient de performance COP d’une pompe à chaleur (cas de création de chaleur) le rapport énergétique :
(énergie restituée par l'appareil) / (énergie consommée pour la production) (sa valeur va de 2,5 à 3 pour pompes à air et 3 à 6 pour pompes géo ou hydrothermiques)
-machine de production de froid
Le froid peut venir de la détente d'un gaz, ou d'une liquéfaction, ou d'une machine à produire du froid, ou de la dissolution d'un corps
-machines de liquéfaction
Système Claude: la détente adiabatique réversible d’un gaz produit un travail du gaz créant une diminution de température
Système Linde: un gaz qui se détend est mis en contact thermique avec le même gaz circulant en sens inverse dans une autre canalisation, sous haute pression
D’après l’effet Joule-Thomson, il y a refroidissement dès lors que le gaz a une température d’inversion plus faible que la température ambiante.
Cette température d'inversion est Ti = 6,75.fois la température critique en K