Problématique : Comment fonctionne un moteur thermique et pourquoi son rendement est-il limité ?

« Problématique : Comment fonctionne un moteur thermique et pourquoi son rendement est-il limité ? I.

Le fonctionnement d’un moteur thermique : Les bases thermodynamiques Un moteur thermique fonctionne grâce à l’énergie chimique du carburant qui est convertie en énergie mécanique.

Cela se fait par un cycle thermodynamique, où les gaz à l’intérieur du moteur subissent des changements de pression, de volume et de température. Dans un moteur à 4 temps, il y a quatre étapes : admission, compression, combustion/détente, et échappement.

Lors de la compression et de la détente, l'air (ou le mélange air-carburant) se comporte comme un gaz.

Le fonctionnement thermodynamique d'un moteur thermique peut être expliqué à l’aide de la première loi de la thermodynamique et de l’équation d’état des gaz parfaits PV=nRTPV = nRTPV=nRT. II.

La première loi de la thermodynamique dans un moteur thermique 1.

Première loi de la thermodynamique La première loi de la thermodynamique est une expression de la conservation de l’énergie. Elle peut s’écrire ainsi : ΔU=Q−W\Delta U = Q - WΔU=Q−W ●​ ΔU\Delta UΔU : variation de l’énergie interne du système (ici l’air dans le cylindre), ●​ QQQ : chaleur échangée par le système (apportée lors de la combustion), ●​ WWW : travail effectué par le système (le travail effectué par l’air pour pousser le piston). Lorsqu'un moteur thermique fonctionne, l'énergie chimique du carburant est convertie en chaleur QQQ, une partie de cette chaleur est utilisée pour effectuer du travail WWW (mouvement du piston), mais une autre partie est perdue sous forme de chaleur dissipée dans l’environnement. 2.

Utilisation de l’équation des gaz parfaits PV=nRTPV = nRTPV=nRT L'équation d'état des gaz parfaits PV=nRTPV = nRTPV=nRT lie la pression PPP, le volume VVV, la quantité de matière nnn, la constante des gaz parfaits RRR, et la température TTT. Cette équation est essentielle pour comprendre ce qui se passe dans le moteur pendant les étapes de compression et de détente. Imaginons que le moteur fonctionne à une température initiale T1T_1T1​et une pression P1P_1P1​, et qu’il soit comprimé à un volume plus faible pendant la phase de compression.

Le volume change, mais la température et la pression aussi.

En appliquant l’équation des gaz parfaits à l'état initial et à l'état final (après compression), on peut décrire l’évolution du gaz dans le cylindre. Exemple concret : Calcul de la pression après compression Imaginons que dans un moteur à essence, un mélange air-carburant soit compressé.

On suppose que : ●​ Le volume initial est V1=0,5 m3V_1 = 0,5 \, \text{m}^3V1​=0,5m3, ●​ La température initiale est T1=300 KT_1 = 300 \, \text{K}T1​=300K (environ 27°C), ●​ La pression initiale est P1=1 bar=105 PaP_1 = 1 \, \text{bar} = 10^5 \, \text{Pa}P1​=1bar=105Pa, ●​ Le rapport de compression est de 10:1, donc le volume final sera V2=V1/10=0,05 m3V_2 = V_1 / 10 = 0,05 \, \text{m}^3V2​=V1​/10=0,05m3. Si on suppose que le gaz se comporte de manière idéale (loi des gaz parfaits), on peut utiliser l’équation des gaz.... »