Moteur thermique et limite de Carnot : cycle et bilan

Même sans aucune perte, un moteur entre 400 °C et 20 °C ne transforme au plus que 56,5 % de la chaleur reçue en travail (c’est la limite de Carnot). Vous voyez pourquoi cette borne, imposée par le second principe de la thermodynamique, ne dépend que des deux températures absolues (en kelvins : °C + 273,15).

Une expérience du cours de Cyril Voyant, à manipuler dans le navigateur. Le chapitre et ses diapositives · Toutes les expériences · Lexique : rendement de Carnot.

Essayer et interpréter

Entre 400 °C et 20 °C, sur 1000 J reçus, la borne autorise environ 564,5 J de travail. Baissez la source froide ou montez la source chaude : la borne monte, sans jamais atteindre 100 %. Suivez ensuite les quatre étapes sur le diagramme température–entropie (l’entropie S : la chaleur échangée divisée par la température à laquelle elle l’est).

Pourquoi une machine thermique doit-elle rejeter une partie de la chaleur reçue ?

C’est le second principe : sur un cycle, une machine ne peut pas convertir en travail toute la chaleur reçue d’une seule source. Le rejet minimal vers la source froide fixe la borne de Carnot, qui ne dépend que des deux températures absolues.

ηCarnot=1−TfTc

W=ηQchaud

Qrejetée=Qchaud−W

Températures absolues, en kelvins.

Les définitions

η
Le rendement : le travail W divisé par la chaleur reçue Qchaud. ηCarnot est sa borne.
W
Le travail fourni par cycle.
Qchaud, Qrejetée
La chaleur reçue de la source chaude et celle rendue à la source froide, par cycle.
Tc, Tf
Les températures des sources chaude et froide, en kelvins.
Diagramme T–S
La température T en fonction de l’entropie S. Pour le cycle idéal, l’aire du rectangle est le travail maximal.
Réversible
Un cycle idéal, sans frottement ni écart de température lors des échanges : le seul à atteindre la borne.

Hypothèses et limites

Machine cyclique entre deux sources. Le rectangle T–S représente le cycle idéal, pas celui d’une machine au rendement plus faible : son aire donne le travail maximal.

Aller plus loin

Les valeurs affichées sont calculées ou construites dans le modèle indiqué : ce ne sont pas de nouveaux résultats de recherche.

Cette expérience est présentée comme animation du cours : page de référence. Version anglaise : the English tool page.