Moteur thermique


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Figure 1. Un moteur à combustion interne à 4 temps. 1 : injection de carburant, 2 : allumage, 3 : expansion (travail est effectué), 4 : échappement[1]

Un moteur thermique est un type de moteur, (comme le moteur d'une voiture) qui produit un mouvement macroscopique à partir de chaleur. Lorsque quelqu'un se frotte les mains, la friction transforme l'énergie mécanique (le mouvement de nos mains) en énergie thermique (les mains se réchauffent). Les moteurs thermiques font exactement le contraire ; ils prennent l'énergie de la chaleur (par rapport à l'environnement) et la transforment en mouvement. Souvent, ce mouvement est transformé en électricité avec un générateur.

Presque toute l'énergie qui est exploitée pour l'électricité et les transports provient des moteurs thermiques. Les objets chauds, même les gaz, possèdent une énergie thermique qui peut être transformée en un produit utile. Les moteurs thermiques déplacent l'énergie d'un endroit chaud vers un endroit froid et convertissent une partie de cette chaleur en énergie mécanique. Les moteurs thermiques ont besoin d'une différence de température pour fonctionner.

L'étude de la thermodynamique a été initialement inspirée par la volonté de tirer le maximum d'énergie des moteurs thermiques.[2] Actuellement, divers combustibles sont utilisés, comme l'essence, le charbon et l'uranium. Tous ces moteurs thermiques fonctionnent toujours selon les limites imposées par la deuxième loi de la thermodynamique. Cela signifie que divers combustibles sont utilisés pour chauffer un gaz et qu'un réservoir froid est nécessaire pour évacuer la chaleur résiduelle. Souvent, la chaleur résiduelle est rejetée dans l'atmosphère ou dans une grande étendue d'eau (l'océan, un lac ou une rivière).

Selon le type de moteur, différents procédés sont utilisés, comme l'allumage des combustibles par combustion (essence et charbon), ou l'utilisation de l'énergie des processus nucléaires pour produire de la chaleur (uranium), mais le but final est le même : transformer la chaleur en travail. L'exemple le plus connu d'un moteur thermique est le moteur d'une voiture, mais la plupart des centrales électriques, comme celles de charbon, gaz naturel et nucléaire, sont également des moteurs thermiques.

Moteur à combustion interne

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Les moteurs à combustion interne sont la forme la plus courante de moteurs thermiques, car ils sont utilisés dans les véhicules, les bateaux, les navires, les avions et les trains. Ils sont appelés ainsi car le carburant est enflammé afin d'effectuer un travail à l'intérieur du moteur. Le même mélange de carburant et d'air est ensuite émis sous forme d'échappement. Cette opération est le plus souvent réalisée à l'aide d'un piston, elle peut également être accomplie avec une turbine.

La figure 1 est un exemple de moteur à combustion interne. Ce type particulier est appelé moteur à quatre temps, qui est assez courant dans les voitures.

Moteur thermique externe

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Les moteurs thermiques externes sont généralement des moteurs à vapeur, et ils diffèrent des moteurs internes en ce que la source de chaleur est séparée du gaz qui fait le travail. Ces moteurs thermiques sont généralement appelés moteurs à combustion externe car la combustion se produit à l'extérieur du moteur. Par exemple, la combustion externe peut consister à utiliser une flamme pour chauffer de l'eau en vapeur, puis à utiliser la vapeur pour faire tourner une turbine. C'est différent de la combustion interne, comme dans un moteur de voiture, où l'essence s'enflamme à l'intérieur d'un piston, effectue un travail, puis est expulsée.

Les réacteurs nucléaires n'ont pas de combustion, c'est pourquoi on utilise le terme plus général de moteur thermique externe. Le réacteur à eau bouillante de la figure 2 est un moteur thermique externe, tout comme d'autres centrales nucléaires.

Figure 2. Un réacteur nucléaire à eau bouillante, qui est un moteur thermique externe.[3]

Exemples de moteurs thermiques

Combustion interne

Combustion externe

Rendement

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Le rendement d'un moteur est le pourcentage d'énergie absorbée que le moteur peut convertir en travail utile. L'équation pour cela est η = travail fourni / énergie absorbée. Les moteurs à piston les plus efficaces ont un rendement d'environ 50 %, et une centrale au charbon moyenne a un rendement d'environ 33 %. Les centrales électriques construites plus récemment ont des rendements supérieurs à 40 %.

Les petits moteurs thermiques, comme ceux des voitures, ont une puissance mécanique mesurée en termes de chevaux. Les moteurs thermiques plus importants, comme les centrales électriques, mesurent leur puissance en termes de MW. Bien entendu, la production peut être mesurée dans n'importe quelle unité de puissance, comme les watts.

L'entrée d'un moteur thermique est aussi une puissance, souvent mesurée en MW. Dans le cas d'une centrale électrique, il existe également une puissance de sortie électrique. Afin de distinguer les deux puissances, la puissance thermique (puissance d'entrée) est mesurée en mégawatts thermiques (MWt), tandis que pour la production d'électricité, la puissance de sortie est mesurée en mégawatts électriques (MWe). Pour les moteurs thermiques qui fournissent du mouvement au lieu de l'électricité, la puissance de sortie serait la puissance mécanique.

Cogénération

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Un moteur thermique a deux sous-produits : le travail et la chaleur. Le but de la plupart des moteurs est de produire du travail, et la chaleur est traitée simplement comme déchet. La cogénération consiste à utiliser la chaleur résiduelle pour des choses utiles. Le chauffage d'une voiture fonctionne par cogénération : il utilise la chaleur résiduelle du moteur pour chauffer l'air et réchauffer l'habitacle. C'est pourquoi le fonctionnement du chauffage d'une voiture en hiver a peu d'effet sur la consommation d'essence, mais le fonctionnement de la climatisation en été peut coûter environ 10 à 20 % de la consommation d'essence d'une voiture.

En savoir plus

Références

  1. "File:4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif - Wikimedia Commons", Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif. [Accessed: 17- May- 2018].
  2. "Energy the subtle concept" J. Coopersmith, Chapter 12 pg 208, Oxford University press 2010.
  3. (2015, Jan. 4). Boiling Water Reactor [Online]. Available: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-bwr.html