Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Chaque type d'énergie est formé par le produit d'une variable intensive et d'une variable extensive et pour l'énergie thermique, ces variables sont la température et l'entropie. L'expression générale de la variation d'entropie d'un système quelconque est reliée aux échanges entropiques avec des sources thermiques et aux irréversibilités internes et externes. Les convertisseurs d'énergie que sont les moteurs et les générateurs thermodynamiques sont définis. Le second principe apparaît alors comme la possibilité de faire fonctionner un générateur thermique avec une seule source de chaleur, moyennant une création d'entropie. Enfin, la définition du convertisseur de Carnot et de son rendement permet de comparer les machines réelles aux machines théoriques
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Every type of energy can be expressed as the product of an intensive property and an extensive property. For thermal energy, these properties are temperature and entropy. The entropy change of a system depends on both the entropy exchanges with thermal reservoirs and on internal and external irreversibilities. Two converters of energy are defined: the motor and the generator. The second law of thermodynamics allows the possibility for a thermal generator to operate with only one heat source, but with generation of entropy. We define the Carnot converters and give the expression for their efficiency. Finally, real machines are compared with theoretical ones
Auteur(s)
-
André LALLEMAND : Ingénieur, docteur ès sciences - Professeur des universités à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon
INTRODUCTION
Le langage courant mentionne l’existence des « énergies » thermiques, mécaniques, renouvelables, fossiles, nucléaire, etc. Ce langage courant va même jusqu’à mentionner des pertes d’énergie. Or, le premier principe de la thermodynamique stipule la conservation de l’énergie. Une perte d’énergie est donc un non sens scientifique. Un langage correct doit faire état de diverses formes d’énergie ou de différents types d’énergie. On peut alors effectivement constater une « perte d’énergie mécanique » par exemple au bénéfice d’un « gain d’énergie thermique ». Il s’agit d’une conversion d’un type d’énergie en un autre type. Le premier principe traduit ainsi une équivalence entre les différents types d’énergie : un type d’énergie en vaut un autre sur le plan quantitatif.
Or le sens commun, intuitif, ne place pas toutes les formes d’énergie sur le même plan d’où la notion de « perte ». Par exemple, de l’énergie mécanique est convertie en énergie thermique spontanément par frottement, de l’énergie électrique se transforme aussi facilement en énergie thermique par effet Joule ; on n’observe pas l’inverse. Mieux encore, chacun sait, par exemple, que de la chaleur à haute température est plus intéressante que de la chaleur à température moyenne. De la même manière, il vaut mieux disposer d’un gaz sous forte pression que sous la pression atmosphérique, le premier pouvant réaliser un certain travail. Ainsi apparaît la notion de qualité de l’énergie, associée à celle de quantité.
Quantité et qualité sont indissociables des concepts énergétiques et sont à la base du fondement de la thermodynamique que sont les premier et deuxième principes. Si le premier principe apparaît comme étant celui de la quantité, le deuxième principe est celui de la qualité ou de la différence entre les formes d’énergie et de l’intérêt des variables intensives. En effet, pour étayer ce dernier point, on note que, s’il est plus intéressant de disposer d’énergie thermique à haute température, c’est tout simplement parce qu’on constate que la chaleur va naturellement du chaud vers le froid, soit d’un système à haute température vers un système à plus basse température. De même en hydraulique, l’eau va naturellement de l’altitude la plus haute vers une altitude plus basse, jamais dans l’autre sens, si ce n’est en utilisant une pompe pour le faire. Température et altitude sont des paramètres (ou variables) intensifs, comme la pression, la tension électrique, la force, etc., et ce sont ces paramètres qui règlent le sens des échanges énergétiques. De plus, la rapidité des échanges (puissance) entre deux éléments est liée au gradient d’intensité qui existe entre eux.
Le deuxième principe est aussi celui des notions d’entropie, d’irréversiblité et de création d’entropie. C’est celui de l’opposition entre échanges quasi statiques, réversibles (donc à puissance nulle et conservation de l’entropie) et échanges efficaces, irréversibles (à puissance finie et création d’entropie).
Ce sont l’ensemble de ces concepts qui font l’objet de cet article.
Dans l’article qui suit Thermodynamique appliquée- Bilans entropiques et exergétiques, ces concepts sont développés afin de pouvoir quantifier les irréversibilités et avoir ainsi une indication chiffrée sur leurs incidences sur le fonctionnement des systèmes énergétiques. Les méthodes d’analyses basées sur les bilans entropiques et exergétiques y sont présentées. Les deux articles sont donc indissociables.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
power systems | refrigeration systems
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- Version courante de janv. 2016 par André LALLEMAND
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Variables intensives et extensives. Entropie1. Moteurs et sources d’énergie. Qualité de l’énergie
Le premier principe de la thermodynamique, appliqué à une transformation cyclique (W + Q = 0), traduit l’impossibilité de construire des machines capables de fournir du travail sans emprunter de l’énergie au milieu extérieur. Il est basé, notamment, sur la notion d’équivalence entre l’énergie mécanique et l’énergie thermique. Or, l’expérience montre que la chaleur n'est pas une forme d'énergie en tout point analogue aux autres.
dans l’expérience de Joule (figure 1) relative à la détermination de l’équivalent mécanique de la calorie, le travail fourni se transforme spontanément en énergie interne (ou chaleur interne). En revanche, l’eau échauffée, en se refroidissant, ne fait pas spontanément remonter le poids
qui avait produit le travail. L’expérience est irréversible.
Travail et chaleur apparaissent ainsi comme des formes d’énergie dont les possibilités de conversion ne sont pas symétriques. La thermodynamique classique traduit ce fait, selon Clausius (1850), par l’impossibilité d’avoir un moteur monotherme : « Il est impossible de faire fonctionner un moteur thermique à partir d'une seule source de chaleur ». Or cette affirmation, en accord avec tous les faits expérimentaux, ne met nullement en évidence le caractère spécifique de l’énergie thermique.
En effet, cette impossibilité d’existence de moteurs fonctionnant à partir d’un seul réservoir d’énergie ou source est générale.
1. Un moteur électrique (figure 2) ne pourrait fonctionner avec un branchement sur une même ligne à haute tension. Il faut que le branchement soit effectué d’une part à la haute tension (source S1) et d’autre part à une tension plus basse, généralement la terre (source S2 ).
2. Un moteur hydraulique (turbine) (figure 3) nécessite également pour son fonctionnement de disposer de deux niveaux (ou sources) d’énergie hydraulique : le réservoir amont (source S1) et...
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