La thermodynamique est une branche de la physique qui traite de l’énergie et du travail d’un système.La thermodynamique traite de la réponse à grande échelle d’un système que nous pouvons observer et mesurer dans des expériences.En tant qu’aérodynamiciens, nous sommes surtout intéressés par la thermodynamique des systèmes de propulsion et des écoulements à grande vitesse.Pour comprendre comment fonctionne un système de propulsion, nous devons étudier la thermodynamique de base des gaz.
Les gaz ont diverses propriétés que nous pouvons observer avec nos sens, y compris la pression du gaz p, la température T, la masse et le volume V qui contient le gaz.Une observation scientifique minutieuse a déterminé que ces variables sont liées les unes aux autres, et les valeurs de ces propriétés déterminent l’état du gaz.Un processus thermodynamique, tel que le chauffage ou la compression du gaz, change les valeurs des variables d’état d’une manière qui est décrite par les lois de la thermodynamique. Le travail effectué par un gaz et la chaleur transférée à un gaz dépendent de l’état initial et de l’état final du gaz et du processus utilisé pour changer l’état.
Il est possible d’effectuer une série de processus, dans lesquels l’état est changé pendant chaque processus, mais le gaz revient finalement à son état initial. Une telle série de processus s’appelle un cycle et constitue la base de la compréhension des moteurs. Le cycle de Carnot est l’un des cycles thermodynamiques fondamentaux et est décrit sur cette page Web. Nous allons utiliser un diagramme en V pour représenter les différents processus du cycle de Carnot. Le cycle commence avec un gaz, coloré en jaune sur la figure, qui est confiné dans un cylindre, coloré en bleu. Le volume du cylindre est modifié par le déplacement d’un piston rouge, et la pression est modifiée en plaçant des poids sur le piston. Nous avons deux sources de chaleur ; la rouge est à une température nominale de 300 degrés, et la violette est à 200 degrés. Initialement, le gaz est dans l’état 1 à haute température,haute pression et faible volume.
- Le premier processus effectué sur le gaz est une expansion isotherme. La source de chaleur de 300 degrés est mise en contact avec le cylindre, et le poids est retiré, ce qui abaisse la pression dans le gaz. La température reste constante, mais le volume augmente. Pendant le processus de l’état 1 à l’état 2, la chaleur est transférée de la source au gaz pour maintenir la température. Nous noterons le transfert de chaleur par Q1 dans le gaz.
- Le deuxième processus effectué sur le gaz est une expansion adiabatique. Lors d’un processus adiabatique, aucune chaleur n’est transférée au gaz. Le poids est retiré, ce qui diminue la pression dans le gaz. La température diminue et le volume augmente car le gaz se dilate pour remplir le volume. Pendant le processus de l’état 2 à l’état 3, aucune chaleur n’est transférée.
- Le troisième processus effectué sur le gaz est une compression isotherme. La source de chaleur de 200 degrés est mise en contact avec le cylindre, et un poids est ajouté, ce qui augmente la pression dans le gaz. La température reste constante, mais le volume diminue. Pendant le processus de l’état 3 à l’état 4, la chaleur est transférée du gaz à la source de chaleur pour maintenir la température. Nous noterons le transfert de chaleur par Q2 à l’écart du gaz.
- Le quatrième processus effectué sur le gaz est une compression adiabatique. On ajoute du poids, ce qui augmente la pression dans le gaz. La température augmente et le volume diminue lorsque le gaz est comprimé. Pendant le processus de l’état 4 à l’état 1, aucune chaleur n’est transférée.
À la fin du quatrième processus, l’état du gaz est revenu à son état initial et le cycle peut être répété aussi souvent que vous le souhaitez. Pendant le cycle, un travail W a été produit par le gaz, et la quantité de travail est égale à la surface délimitée par les courbes du processus.D’après le premier principe de la thermodynamique, la quantité de travail produite est égale à la chaleur nette transférée pendant le processus:
W = Q1 – Q2
Le cycle de Carnot a fonctionné comme un moteur, convertissant la chaleur transférée au gaz pendant les processus en travail utile. Un cycleBrayton similaireexplique le fonctionnement d’un moteur à turbine, et un cycleOttoexplique le fonctionnement d’un moteur à combustion interne.
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