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Thermodynamique Appliquée en BUT GTE : Cycles, Rendements et Machines Thermiques

Cycle de Carnot, moteurs à piston, cycle de Rankine, machines frigorifiques et pompes à chaleur : les formules, d'où elles viennent, et trois exercices corrigés.

Cet article a été rédigé à des fins pédagogiques. Les informations présentées peuvent évoluer. Nous t’invitons à vérifier auprès de sources officielles.

Le rendement d'un moteur thermique est le travail qu'il fournit divisé par la chaleur qu'il reçoit de la source chaude, et il ne dépasse jamais la limite de Carnot $1 - \dfrac{T_f}{T_c}$, températures en kelvins. Entre $800\,\text{K}$ et $300\,\text{K}$, aucun moteur ne fait mieux que $1 - \dfrac{300}{800} = 62{,}5\,\%$. Une machine frigorifique ou une pompe à chaleur consomme au contraire du travail pour déplacer de la chaleur : on la juge à son coefficient de performance (COP), qui peut dépasser 1.

Le bilan d'un cycle : deux principes

Un cycle ramène le fluide à son état de départ, donc son énergie interne reprend sa valeur : $\Delta U = 0$. On compte positivement ce que le fluide reçoit : $W$ est le travail reçu, $Q_c$ la chaleur reçue de la source chaude à la température $T_c$, $Q_f$ celle reçue de la source froide à $T_f$. Avec ces deux sources seulement, la machine est dite ditherme.

Propriété : sur un cycle d'une machine ditherme,

$$W + Q_c + Q_f = 0 \qquad \text{(premier principe)}$$

$$\frac{Q_c}{T_c} + \frac{Q_f}{T_f} \leqslant 0 \qquad \text{(second principe)}$$

L'égalité n'a lieu que pour un cycle réversible (sans frottement ni écart de température entre le fluide et ses sources), cas limite qu'aucune machine n'atteint.

Dans le diagramme de Clapeyron $(P, V)$, l'aire du cycle vaut $|W|$ : sens horaire pour un moteur, sens inverse pour une machine frigorifique ou une pompe à chaleur.

Le BUT GTE s'appelle officiellement MT2E (France compétences) ; son programme national de 2022 traite ces deux principes aux semestres 1 et 2.

Moteur : rendement et cycle de Carnot

Un moteur reçoit $Q_c \gt 0$ de la source chaude, rend $Q_f \lt 0$ à la source froide et fournit du travail, donc $W \lt 0$. Son rendement compare ce qu'on récupère à ce qu'on paie :

$$\eta = \frac{-W}{Q_c} = 1 + \frac{Q_f}{Q_c}$$

Le second principe donne $\dfrac{Q_f}{T_f} \leqslant -\dfrac{Q_c}{T_c}$. En multipliant par $\dfrac{T_f}{Q_c}$, qui est positif, on obtient $\dfrac{Q_f}{Q_c} \leqslant -\dfrac{T_f}{T_c}$, qu'on reporte dans $\eta$.

Propriété : pour un moteur ditherme,

$$\eta \leqslant \eta_C = 1 - \frac{T_f}{T_c}$$

avec égalité seulement pour un cycle réversible.

Ce cycle réversible est le cycle de Carnot : détente isotherme (à température constante) à $T_c$, où le fluide reçoit $Q_c$, détente adiabatique réversible (sans échange de chaleur) jusqu'à $T_f$, compression isotherme à $T_f$, où il rend de la chaleur à la source froide, puis compression adiabatique réversible jusqu'à $T_c$.

Il ne reçoit de chaleur qu'à $T_c$ et n'en rend qu'à $T_f$ : c'est ce qui le rend parfait, et ce qui manque au cycle de Rankine (exercice 2).

Piège classique : dans la formule de Carnot, les températures sont en kelvins, $T = \theta + 273{,}15$ avec $\theta$ en degrés Celsius. En degrés Celsius, le résultat est faux, et souvent bien trop beau.

Moteurs à piston : Beau de Rochas et Diesel

On modélise le gaz par de l'air, gaz parfait de coefficient $\gamma = \dfrac{c_p}{c_v} = 1{,}4$, rapport de ses capacités thermiques massiques à pression et à volume constants. La compression et la détente, très rapides, sont prises adiabatiques réversibles : la loi de Laplace $TV^{\gamma-1} = \text{constante}$ s'y applique.

Le moteur à essence se modélise par le cycle de Beau de Rochas, appelé cycle d'Otto hors de France : compression adiabatique ($1 \to 2$), combustion à volume constant ($2 \to 3$), détente adiabatique ($3 \to 4$), échappement à volume constant ($4 \to 1$). Ici $Q_c = m c_v (T_3 - T_2)$ et $Q_f = m c_v (T_1 - T_4)$, et la loi de Laplace sur les deux adiabatiques ramène tout au taux de compression $a = \dfrac{V_{\max}}{V_{\min}}$.

Le moteur Diesel comprime de l'air seul, bien plus fort, puis injecte le gazole, qui s'enflamme tout seul dans cet air très chaud. Sa combustion est modélisée à pression constante, $Q_c = m c_p (T_3 - T_2)$, alors que l'échappement reste à volume constant. D'où le $\gamma$ au dénominateur de son rendement.

Formule : rendements théoriques des deux cycles,

$$\eta_{\text{Beau de Rochas}} = 1 - \frac{1}{a^{\gamma - 1}}$$

$$\eta_{\text{Diesel}} = 1 - \frac{T_4 - T_1}{\gamma\,(T_3 - T_2)}$$

Le rendement monte avec $a$, qui est un rapport de volumes et non de pressions : $58{,}5\,\%$ pour $a = 9$. Dans un moteur à essence, $a$ est limité par l'auto-inflammation du mélange, qui fait cliqueter le moteur. Le Diesel n'a pas cette limite : à $a$ égal il fait moins bien, mais son $a$ est bien plus grand.

Cycle de Rankine et rendement isentropique

Dans une centrale à vapeur, l'eau tourne en boucle dans quatre appareils : pompe ($1 \to 2$), chaudière ($2 \to 3$), turbine ($3 \to 4$) et condenseur ($4 \to 1$). Chacun est un système ouvert, traversé en continu. Le bilan se fait par kilogramme, avec l'enthalpie massique $h = u + Pv$, où $u$ est l'énergie interne massique et $v$ le volume massique.

Propriété : en écoulement permanent, énergies cinétique et potentielle négligées,

$$w_u + q = h_{\text{sortie}} - h_{\text{entrée}}$$

où $w_u$ est le travail utile reçu des pièces mobiles et $q$ la chaleur reçue, par kilogramme de fluide.

Pompe et turbine sont supposées adiabatiques ($q = 0$) ; chaudière et condenseur n'ont pas de pièce mobile ($w_u = 0$). Le rendement, travail net fourni sur chaleur reçue, s'écrit donc :

$$\eta = \frac{(h_3 - h_4) - (h_2 - h_1)}{h_3 - h_2}$$

Les enthalpies se lisent dans les tables de la vapeur ou sur le diagramme de Mollier ($h$ en fonction de l'entropie massique $s$). Le travail de pompe est petit, car un liquide change à peine de volume : $w_P \approx v\,(P_2 - P_1)$, environ $4\,\text{kJ/kg}$ pour de l'eau, de $0{,}1$ à $40\,\text{bar}$.

Une turbine réelle fournit moins de travail que la détente adiabatique réversible, dite isentropique (à entropie constante). Son rendement isentropique compare la sortie réelle $4$ à la sortie idéale $4s$, à la même pression :

$$\eta_{is,T} = \frac{h_3 - h_4}{h_3 - h_{4s}}$$

Un compresseur réel demande au contraire plus de travail que l'idéal : $\eta_{is,C} = \dfrac{h_{2s} - h_1}{h_2 - h_1}$. Dans les deux cas, le plus petit travail va au numérateur.

Machines frigorifiques et pompes à chaleur : le COP

Ici le cycle tourne dans l'autre sens : $W \gt 0$, $Q_f \gt 0$ et $Q_c \lt 0$. On paie $W$, et ce qu'on veut dépend de l'usage : retirer $Q_f$ pour un réfrigérateur, fournir $-Q_c$ au logement pour une pompe à chaleur.

Formule : limites tirées des deux principes,

$$\text{COP}_{\text{froid}} = \frac{Q_f}{W} \leqslant \frac{T_f}{T_c - T_f}$$

$$\text{COP}_{\text{PAC}} = \frac{-Q_c}{W} \leqslant \frac{T_c}{T_c - T_f}$$

Un COP de 3 ne crée pas d'énergie : sur $3\,\text{kJ}$ fournis au logement, $1\,\text{kJ}$ vient du travail et $2\,\text{kJ}$ de la source froide. Plus l'écart $T_c - T_f$ est faible, plus la limite est haute : une pompe à chaleur préfère un plancher chauffant à des radiateurs très chauds.

Piège classique : le COP d'une machine frigorifique se calcule avec la chaleur prise à la source froide, celui d'une pompe à chaleur avec la chaleur rendue à la source chaude. Pour une même machine, $-Q_c = Q_f + W$, donc $\text{COP}_{\text{PAC}} = \text{COP}_{\text{froid}} + 1$.

On lit les enthalpies du fluide frigorigène sur le diagramme enthalpique, avec la pression en ordonnée (échelle logarithmique) et l'enthalpie massique en abscisse. Note 1, 2, 3 et 4 les sorties de l'évaporateur, du compresseur, du condenseur et du détendeur. Le détendeur n'échange ni travail ni chaleur, donc $h_4 = h_3$ : la détente est un segment vertical. Avec un compresseur adiabatique :

$$\text{COP}_{\text{froid}} = \frac{h_1 - h_4}{h_2 - h_1} \qquad \text{COP}_{\text{PAC}} = \frac{h_2 - h_3}{h_2 - h_1}$$

En pratique, la vapeur entre un peu surchauffée dans le compresseur (au-dessus de sa température d'ébullition), pour qu'il n'aspire pas de liquide, et le liquide sort du condenseur un peu sous-refroidi (sous sa température de condensation), ce qui abaisse $h_4$ et augmente la chaleur prise à la source froide.

Exercices corrigés

Exercice 1 : Un fabricant annonce un moteur de rendement $60\,\%$ entre des sources à $400\,^\circ\text{C}$ et $50\,^\circ\text{C}$ (données fictives). Un camarade calcule $1 - \dfrac{50}{400} = 87{,}5\,\%$ et juge l'annonce possible. A-t-il raison ?

Correction :

Non : la formule de Carnot demande des kelvins. $T_c = 400 + 273 = 673\,\text{K}$ et $T_f = 50 + 273 = 323\,\text{K}$, donc $\eta_C = 1 - \dfrac{323}{673} \approx 0{,}52$.

Aucun moteur ne dépasse $52\,\%$ entre ces sources : l'annonce est impossible.

Exercice 2 : Une centrale suit un cycle de Rankine entre $40\,\text{bar}$ et $0{,}1\,\text{bar}$. Enthalpies tirées des tables du NIST, arrondies : $h_1 = 192\,\text{kJ/kg}$ (liquide saturé à $45{,}8\,^\circ\text{C}$, sortie du condenseur), $h_2 = 196\,\text{kJ/kg}$ (sortie de la pompe), $h_3 = 3\,215\,\text{kJ/kg}$ (vapeur à $400\,^\circ\text{C}$, sortie de la chaudière) et $h_4 = 2\,145\,\text{kJ/kg}$ (sortie de la turbine, détente isentropique). Calcule les travaux de turbine et de pompe, la chaleur reçue, puis le rendement. Compare au rendement de Carnot entre $400\,^\circ\text{C}$ et $45{,}8\,^\circ\text{C}$.

Correction :

Turbine : $w_T = h_4 - h_3 = -1\,070\,\text{kJ/kg}$, la vapeur fournit $1\,070\,\text{kJ}$ par kilogramme. Pompe : $w_P = h_2 - h_1 = 4\,\text{kJ/kg}$. Chaudière : $q = h_3 - h_2 = 3\,019\,\text{kJ/kg}$.

Rendement : $\eta = \dfrac{1\,070 - 4}{3\,019} = \dfrac{1\,066}{3\,019} \approx 0{,}353$, soit environ $35\,\%$.

Carnot, avec $T_c = 673\,\text{K}$ et $T_f = 319\,\text{K}$ : $\eta_C = 1 - \dfrac{319}{673} \approx 0{,}53$. Rankine en reste loin : l'eau entre dans la chaudière sous $50\,^\circ\text{C}$ et y reçoit une grande part de sa chaleur bien en dessous de $400\,^\circ\text{C}$.

Exercice 3 : Une pompe à chaleur au R-134a fournit $7{,}0\,\text{kW}$ à l'eau d'un plancher chauffant. Le fluide entre dans le compresseur en vapeur saturée à $-5\,^\circ\text{C}$, $h_1 = 396\,\text{kJ/kg}$, et sort du condenseur en liquide saturé à $40\,^\circ\text{C}$, $h_3 = 256\,\text{kJ/kg}$ (tables du NIST, arrondies). Une compression isentropique le mènerait à $h_{2s} = 425\,\text{kJ/kg}$ ; le compresseur, adiabatique, a un rendement isentropique de $0{,}70$. Calcule $h_2$, le COP, le débit massique et la puissance du compresseur.

Correction :

Pour un compresseur, le travail idéal va au numérateur : $h_2 - h_1 = \dfrac{h_{2s} - h_1}{0{,}70} = \dfrac{29}{0{,}70} \approx 41{,}4\,\text{kJ/kg}$, donc $h_2 \approx 437\,\text{kJ/kg}$. Multiplier par $0{,}70$ donnerait un travail inférieur à l'idéal : impossible.

Le condenseur rend à l'eau $h_2 - h_3 \approx 437{,}4 - 256 = 181{,}4\,\text{kJ/kg}$, donc $\text{COP} = \dfrac{181{,}4}{41{,}4} \approx 4{,}4$.

Débit : $q_m = \dfrac{7{,}0}{181{,}4} \approx 0{,}0386\,\text{kg/s}$. Puissance du compresseur : $q_m\,(h_2 - h_1) \approx 0{,}0386 \times 41{,}4 \approx 1{,}6\,\text{kW}$, soit bien $\dfrac{7{,}0}{\text{COP}}$.

À retenir

À retenir :

  • Sur un cycle, en comptant positif ce que reçoit le fluide : $W + Q_c + Q_f = 0$ et $\dfrac{Q_c}{T_c} + \dfrac{Q_f}{T_f} \leqslant 0$.
  • Moteur : $\eta = \dfrac{-W}{Q_c} \leqslant 1 - \dfrac{T_f}{T_c}$, températures en kelvins. Carnot atteint la limite : chaleur reçue à $T_c$, rendue à $T_f$.
  • Beau de Rochas : $\eta = 1 - \dfrac{1}{a^{\gamma-1}}$ ; Diesel : $\eta = 1 - \dfrac{T_4 - T_1}{\gamma\,(T_3 - T_2)}$.
  • Système ouvert : $w_u + q = \Delta h$. Rendement isentropique : le plus petit travail au numérateur.
  • Froid : $\text{COP} = \dfrac{Q_f}{W}$ ; pompe à chaleur : $\text{COP} = \dfrac{-Q_c}{W}$ ; le détendeur garde l'enthalpie.

Sources

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