Phys. N° 10

Les Machines

thermiques.

Cours

   

 

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I- Généralités.

1)- Définition.

2)- Les différentes machines thermiques.

II- La Machine à vapeur.

1)- Fonctionnement

d’une machine à vapeur.

2)- Bilan énergétique

d’un moteur thermique.

3)- Rendement d’un moteur thermique.

III- Applications.

1)- Fonctionnement du moteur à explosion.

2)- Moteur à combustion interne.

3)- Chaîne énergétique d’une machine thermique.

 

 

I- Généralités.

1)- Définition.

* Une machine thermique :

Une machine thermique est un dispositif dans lequel un fluide (gaz ou liquide)

passe d’un état initial à un état final identique à l’état initial.

Au cours de cette transformation cyclique fermée,

le fluide échange du travail et de la chaleur avec le milieu extérieur.

Une telle machine thermique est appelée moteur thermique.

 

* Un moteur thermique :

 Un moteur thermique est un convertisseur d’énergie qui transforme

une partie de la chaleur qu’il reçoit en travail mécanique.

2)- Les différentes machines thermiques.

a)-  Les moteurs thermiques.

-    Représentation simplifiée du moteur thermique :

 

-    Décrire le fonctionnement du moteur thermique.

-    Remarque T1 représente la température absolue, elle s’exprime en Kelvin K.

-    Le fluide reçoit la quantité de chaleur Q1 de la source chaude à la température absolue T1

-    Il restitue une quantité de chaleur Q2 à la source froide à la température absolue T2

-    Une partie de la quantité de chaleur Q1 est transformée en travail mécanique Wm.

b)-  Le réfrigérateur.

-    Le compresseur du réfrigérateur utilise de l’énergie électrique WE.

-    Le fluide thermique est comprimé à l’extérieur du réfrigérateur,

-    Il utilise le travail W et cède la quantité de chaleur Q1 au milieu extérieur.

-    On détend le fluide thermique à l’intérieur du réfrigérateur qui constitue la source froide.

-    On prélève Q2 à la source froide. On refroidit les aliments situés à l’intérieur du réfrigérateur.

-     Faire le schéma simplifié de la chaîne énergétique.

 

II- La Machine à vapeur.

1)- Fonctionnement d’une machine à vapeur.

 

-    Schéma :

 

-    Donner le principe de fonctionnement d’une machine à vapeur simplifiée.

-    Que constitue la chaudière ?

-    La chaudière constitue la source chaude.

-    Que constitue le condenseur ?

-    Le condenseur constitue la source froide.

-    Indiquer le rôle de la chaudière.

-    La chaudière produit de la vapeur d’eau sous haute pression (20 bars) et à une température de 200 °C.

-    Il est possible de distinguer deux phases : l’admission et l’échappement.

-    Faire une description de chacune des phases en indiquant le rôle joué par chaque élément de la machine à vapeur.

-    Admission : la vanne V1 est ouverte, la vanne V2 est fermée.

-    La valeur est admise dans le cylindre et repousse le piston.

-    Le mouvement de translation du piston est transformé en mouvement de rotation du volant grâce au système bielle manivelle.

-    Echappement : lorsque le piston arrive en bout de course, V1 est fermée et V2 s’ouvre.

-    Le piston se déplace en sens inverse grâce au mouvement du volant et repousse la vapeur résiduelle dans le condenseur.

 

2)- Bilan énergétique d’un moteur thermique.

-    La machine à vapeur permet de transformer une partie de la chaleur Q1 fournie par la vapeur en travail mécanique Wm.

-    C’est un moteur thermique à combustion externe.

-    La source de chaleur est située à l’extérieur du moteur.

-     Faire le schéma de la chaîne énergétique.

 

3)- Rendement d’un moteur thermique.

Le rendement thermique d’un moteur est donné par la relation :

-    Remarqueη0 est toujours inférieur à 1.

Le rendement théorique

d’une machine thermique qui fonctionne entre deux températures

T1 (température de la source chaude) et

T2 (température de la source froide) est donné par la relation :

-    C’est le rendement maximal d’une machine thermique et T est la température absolue en Kelvin K.

Le rendement global

de la machine thermique :

III- Applications.

 

1)- Fonctionnement du moteur à explosion.

-    Les moteurs à explosion (ou moteurs à essence) et les moteurs diesel sont des moteurs à combustion interne.

-    Dans ces moteurs, les gaz de combustion jouent le rôle de fluide moteur.

-    Le cycle est dit ouvert car le fluide est renouvelé à chaque cycle.

 

-    Dans le moteur à explosion, le mélange gazeux air frais-vapeur d’essence

-    est dosé dans le carburateur,

-    aspiré,

-    puis comprimé par le piston dans la chambre de combustion.

 

-    L’allumage du mélange échauffé par la compression est commandé par l’étincelle de la bougie.

 

-    La détente des gaz brûlés qui suit s’accompagne d’un transfert d’énergie à l’arbre moteur par le mécanisme d’embiellage.

 

-    Dans le moteur diesel, l’air frais est aspiré puis comprimé par le piston dans la chambre de combustion.

-    Le gazole est injecté et vaporisé dans l’air chauffé par la compression.

-    L’allumage est spontané, on dit qu’il y a auto-allumage.

-    Les quatre temps du moteur à explosion : Document II

 

 

2)- Moteur à combustion interne.

-    Citer les deux types de moteurs thermiques.

-    Pourquoi parle-t-on de moteur à combustion interne ?

-    Quels sont les quatre temps d’un moteur à essence ?

-    Expliquer le fonctionnement d’un tel moteur.

-    Quelles sont les différences entre un moteur essence et un moteur diesel ?

-    Comment réalise-t-on l’explosion dans un moteur diesel ?

-    Un moteur thermique reçoit par seconde Q1 = 172 kJ

-    de la réaction de combustion du mélange air frais-carburant

-    et rejette Q2 = 135 kJ dans l’atmosphère.

-    Le rendement mécanique de la transmission vilebrequin-arbre de sortie du pont est de 92 %.

-    Décrire la chaîne énergétique d’un moteur à combustion interne.

-    Quel est le travail mécanique Wm transféré au vilebrequin pour dix minutes de fonctionnement ?

-    Donner l’expression du rendement thermique et calculer sa valeur.

-    Déterminer le travail mécanique recueilli sur l’arbre de sortie pour dix minutes de fonctionnement.

-    Calculer le rendement global du moteur.

-    Déterminer la puissance de sortie en chevaux-vapeur (1 ch = 0,736 kW).

 

3)- Chaîne énergétique d’une machine thermique.

-    Une machine thermique de puissance P = 368 W fonctionne entre deux sources de chaleurs :

-    une chaude de température θ1 = 300 °C et une source froide de température θ2 = 40 °C.

-    Le rendement thermique η0 est égal à la moitié du rendement théorique ηthéo.

-    Le rendement de la chaudière ηc = 0,72 et le rendement mécanique ηM = 0,93.

-    Représenter la chaîne énergétique et indiquer les formules des quatre rendements.

-    Calculer le rendement théorique et en déduire le rendement thermique.

-    Exprimer le rendement global ηg de la chaîne énergétique en fonction des différents rendements.

-    Calculer le rendement global.

-    Calculer la quantité de chaleur Q produite par la combustion du charbon par seconde.

-    En déduire la masse m de charbon consommé en une heure

-     (Pouvoir calorifique du charbon : 3,34 x 107 J.kg–1).

-    Quel est le rendement le plus faible ?

 

 

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