Les cycles thermodynamiques

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Les différents types de cycles

isotherme Isentropeou

Adiabatique réversible

isochore isobare Représentation du cycle dans le diagramme de Clapeyron P-V

Représentation du cycle dans le diagramme entropique T-S

Applications

Le cycle de Carnot

( 1824 )

2 2 0 0 Moteur ; Réfrigérateur

Le cycle de Stirling

( 1816 )

2 0 2 0 Moteur ; réfrigérateur 

( ∂ T∂ S

)V

Le cycle d'Ericsson

2 0 0 2 Moteur

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Le cycle de Joule (ou Brayton)

( 1870 )

0 2 0 2 Turbine à gaz

( ∂ T∂ S

)P

Le cycle de Beau de Rochas

(Otto )

( 1862 )

0 2 2 0 Moteur à explosion

( ∂ T∂ S

)V

Le cycle Diesel

( 1893 )

0 2 1 1 Moteur Diesel

( ∂ T∂ S

)V

( ∂ T∂ S

)P

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Les thermodynamiciens

Sadi Carnot

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832), usuellement appelé Sadi Carnot, est un physicien et ingénieur français. Sadi Carnot, du nom du poète persan Saadi de Shiraz très admiré de son père, est le fils aîné de Lazare Nicolas Marguerite Carnot et au sommet de sa carrière. Mathématicien et ingénieur brillant, élève de Gaspard Monge, auteur d’un Essai sur les machines en général (1754), Lazare Carnot a également été soldat, meneur d’hommes et patriote. Il fut élu à l’Assemblée constituante de 1789 puis à la Convention, et vota la mort du roi Louis XVI. Pendant les guerres de la Révolution française, au sein du Comité de Salut Public, il est l’Organisateur de la Victoire. Membre du directoire, il fut ministre de la Guerre de Napoléon Bonaparte d’avril à octobre 1800 puis ministre de l’intérieur lors des Cent-Jours, en 1815. En octobre de la même année, après la défaite de Napoléon, il est exilé en Belgique, puis en Pologne, enfin en Allemagne et ne rentra jamais en France.

Robert Stirling

Robert Stirling (1790 - 1878) était un pasteur, mécanicien et métallurgiste écossais, Il est connu pour être l'inventeur du « moteur à air chaud » (1816) ou moteur à combustion externe communément appelé moteur Stirling.Son vrai nom est Robert Mac Gregor, "Stirling" étant en fait le nom de l'employeur du père de Robert, alors ébéniste au moment où les troupes passaient par les armes tous les membres du clan, y compris les homonymes, sur la totalité des territoires contrôlés par la couronne britannique. Son grand-père paternel fabriquait de l'équipement agricole et son grand-père maternel était agriculteur. Robert Stirling poursuivit ses études de 1805 à 1808 à l'Université d'Édimbourg, puis alla à Glasgow étudier la théologie. Robert Stirling se maria le 10 juillet 1819. Il eut sept enfants  : Patrick, William, Robert, James (tous ingénieurs), David (pasteur), Jane et Agnes (artiste).La légende veut que, catastrophé par les accidents récurrents des chaudières à vapeur décimant ses paroissiens, liés à l'absence de normalisation des matériaux, le pasteur Stirling, mit toute son énergie à améliorer les machines à vapeur, alors indispensables, pour créer le moteur à combustion externe portant depuis son «patronyme». Sa machine utilisait une nouvelle invention, un régénérateur, qu'il appela économiseur. En 1843, son frère James fit installer le moteur à air chaud inventé par Robert dans l'usine où il travaillait, qui furent plus tard remplacées, à cause de bris, par des machines à vapeur plus performantes.

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John Ericsson

John Ericsson (1803 à Långbanshyttan - 1889 à New York) était un inventeur et ingénieur suédois, comme l'était son frère, Nils Ericsson. Il fit l'essentiel de sa carrière aux États-Unis.Il développa par exemple la locomotive Novelty, le moteur Ericsson, le USS   Monitor et travailla sur la propulsion à hélices.

George Brayton

George Brayton ( 1830 dans le Rhode Island, aux États-Unis-1892). Ingénieur mécanicien, il vit avec sa famille à Boston. Il est connu pour être l'inventeur d'un processus continu de combustion d'un gaz, basé sur le principe d'une turbine à gaz, dont le principe est expliqué grâce au cycle de Brayton.

James Prescott Joule

James Prescott Joule ( 1818, Salford, près de Manchester, Angleterre – 1889, Sale) est un physicien (et brasseur) britannique.Son étude sur la nature de la chaleur et sa découverte de la relation avec le travail mécanique l'ont conduit à la théorie de la conservation de l'énergie (la première loi de la thermodynamique). Il a également énoncé une relation entre le courant électrique traversant une résistance et la chaleur dissipée par celle-ci, appelée au XXIe siècle la loi de Joule. Enfin il a travaillé avec Lord Kelvin pour développer l'échelle absolue de température et a étudié la magnétostriction. En 1850, il devient membre de la Royal Society. En 1852, il est lauréat de la Royal Medal et, en 1870, il reçoit la médaille Copley. Dans le système international, l'unité du travail porte son nom : le joule.

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Alphonse Eugène Beau, dit Beau de Rochas,

Alphonse Eugène Beau dit Beau de Rochas, 1815 à Digne - 1893 à Vincennes, fut un ingénieur thermodynamicien et lauréat de l'institut (Académie des Sciences). Ingénieur de grands travaux, il posa le premier câble télégraphique sous-marin en collaboration avec l'ingénieur Philippe Breton (1850) et s'intéressa à l'hydrographie, au trafic ferroviaire (voie ferrée Grenoble-Digne-Nice en 1861), au franchissement de la manche par un tunnel métallique immergé (1880).Thermodynamicien connu pour la définition du cycle à quatre temps (16 janvier 1862), il définit également le "coefficient de propulsion" du moteur à réaction dans un mémoire adressé à l'Académie des sciences à Paris, mémoire qui avait pour but d'encourager les recherches sur ce type de moteur dont il prévoyait les possibilités immenses (29 août 1887).

Nikolaus Otto

Nikolaus Otto (Nikolaus August Otto) (Holzhausen 1832 - Cologne 1891) est un inventeur industriel allemand, co-inventeur du moteur à quatre temps en 1867 et fondateur de la société industrielle Deutz AG (IVECO depuis 1975). Il est le père de Gustav Otto, co-fondateur de BMW avec Karl Rapp en 1917.C'est en 1860, approximativement à la même période en France et en Allemagne, que naît le moteur à combustion interne. Le 24 janvier, Étienne Lenoir dépose le brevet d'un « système de moteur à air [deux temps] dilaté par la combustion des gaz enflammés par l'électricité ». En raison de l'absence de compression des gaz préalablement à l'explosion, le moteur Lenoir souffre d'un rendement médiocre.Il faut attendre le 16 janvier 1862 pour que le physicien Alphonse Beau de Rochas théorise le cycle thermodynamique d'un moteur à allumage commandé à quatre temps. C'est sur ce principe que fonctionne l'ensemble des moteurs à essence actuels. Néanmoins, Beau de Rochas est un théoricien et non un praticien, si bien que le premier moteur à allumage commandé, basé sur ce cycle thermodynamique, est mis au point par Nikolaus Otto en 1864.

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Rudolf Diesel

Rudolf Christian Karl Diesel est un ingénieur Français et Bavarois, né le 18 mars 1858 à Paris et disparu dans la nuit du 29 septembre au 30 septembre 1913 lors d'une traversée de la Manche. L'ingénieur disparaît en mer à bord du paquebot "Dresden" entre Anvers et Harwich. Rudolf Diesel est l'inventeur du moteur à combustion interne qui porte son nom, moteur conçu, non pas pour tourner avec du gasoil, mais pour fonctionner avec des huiles végétales. D'ailleurs, Diesel nomma initialement ce moteur, le « moteur à l'huile ».Rudolf Diesel est également un grand ingénieur thermicien, un connaisseur des arts, un linguiste et un théoricien social. Les inventions de Diesel ont trois points communs : elles portent sur le transfert de chaleur par des procédés physiques naturels, sont empreintes d'une forte marque créatrice de conception mécanique, et elles ont d'abord été motivées par l'inventeur du concept sociologique de besoin. Le moteur diesel fut conçu à l'origine comme une installation facilement adaptable aux coûts d'utilisation des combustibles disponibles localement, afin de permettre aux artisans indépendants de mieux supporter la concurrence des grandes industries, à cette époque pratiquement monopolisées par la principale source d'énergie : le charbon, le carburant du moteur à vapeur.

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La famille Carnot                     

                   Joseph Carnot

Juriste(1752-1835)

  Lazare CarnotMathématicien et Ingénieur

(1753-1823)

  Claude-Marie CarnotHomme politique

(1755-1836)                 

           Nicolas Léonard Sadi Carnot

Physicien (1796-1832 )

Lazare Hippolyte CarnotHomme politique

(1801-1888)                     

             Marie François Sadi Carnot

Président de la République Française(1837- 1894)

Marie-Adolphe Carnot Chimiste

(1839-1920)

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Thermodynamique et cinématique

Mécanisme bielle-manivelle

Dans les cycles moteur, la chaleur est transformé en travail avec un certain rendement, le travail se traduit par les différents déplacements des pièces du moteur, si la rotation uniforme (ω = constante) d'un arbre moteur de 0° à 360° à chaque cycle.

On pose λ = r/L << 1

En supposant λ très petit devant 1, quand l'angle de rotation est φ, la valeur de d est :

d = (r+l) – ( r cos + lcos ) = r (1-cosφ) + 0,5λ r sin2 φ

Quand on connaît la section du piston S, il est facile de déterminer le volume V de gaz situé au dessus du piston à chaque instant, pour un angle φ donné. V = d S

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Quand on a plusieurs pistons (moteur Stirling alpha par exemple) ou un piston moteur et un déplaceur (moteurs Stirling bêta et gamma par exemple), il convient de prendre en compte le déphasage dφ entre les deux. L'équation ci-dessus devient alors, pour le second élément :

d2 = r2 [1-cos(φ-dφ)] + 0,5λ2r2 sin2(φ-dφ)

où λ2 = r2/L2

De la même façon que ci-dessus, on obtient la valeur du volume instantané correspondant :

V2 = d2 S2

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