La thermodynamique étudie les changements énergétiques dans les systèmes physiques et la manière dont ces changements affectent les propriétés de la matière.
Ensuite, nous montrerons 4 exemples qui montrent comment les processus thermodynamiques se manifestent dans notre vie quotidienne : moteurs à combustion interne, systèmes naturels, centrales solaires thermiques et climatisation aérothermique.
Moteurs à combustion interne
Les moteurs à combustion interne, comme ceux que l’on trouve dans les automobiles et les motos, sont d’excellents exemples d’application des principes thermodynamiques. Ces moteurs fonctionnent selon des cycles , les plus courants étant le cycle Otto et le cycle Diesel.
Cycle d'Otto
Le cycle Otto est celui par lequel fonctionnent les moteurs à essence. L'allumage du carburant se produit à l'aide d'une étincelle et est divisé en 4 étapes.
Il y a d’abord la phase d’admission, au cours de laquelle le piston descend, permettant à un mélange d’air et de carburant d’entrer dans le cylindre. Ce processus peut être considéré comme approximativement isobare.
Vient ensuite la phase de compression, au cours de laquelle le piston du moteur se déplace vers le haut, comprimant le mélange. Il s’agit d’un processus adiabatique dans lequel la pression et la température augmentent.
Par la suite, le mélange s'enflamme pendant la phase de combustion, générant une explosion qui pousse le piston vers le bas. À ce stade, la pression augmente d’abord, puis reste constante dans un processus isobare.
Enfin, le piston expulse les gaz brûlés dans ce que l'on appelle l'étape d'échappement. Cette expulsion s'effectue également selon un processus approximativement isobare.
Cycle Diesel
Le cycle Diesel se distingue principalement par le fait que l'inflammation du carburant se produit par compression, ce qui implique certaines différences dans les processus thermodynamiques impliqués. Dans ce cas, il se compose également de 4 étapes :
Dans un premier temps, l'air pénètre dans le cylindre lors de la phase d'admission, selon un processus isobare.
Ensuite, lors de la phase de compression, l’air est comprimé de manière adiabatique, augmentant ainsi sa température. La combustion se produit alors : le combustible est injecté dans l’air chaud, brûlant et maintenant une pression constante selon un processus isobare.
Enfin, les gaz brûlés sont expulsés, selon un autre processus isobare, lors de la phase d'échappement.
Systèmes naturels
De nombreux phénomènes naturels se produisent en raison de processus thermodynamiques.
Un exemple frappant est le cycle de l’eau, qui implique des processus tels que l’évaporation, la condensation et les précipitations.
- Évaporation : L'eau des océans, des rivières et des lacs s'évapore à cause de la chaleur du soleil. Ce processus peut être considéré comme un processus isochore (à volume constant) car l’eau passe de l’état liquide à l’état vapeur sans changer de volume de manière significative.
- Condensation : La vapeur d'eau présente dans l'atmosphère se refroidit et se condense en gouttelettes d'eau, formant des nuages. Ce processus libère de la chaleur, étant un processus exothermique.
- Précipitations : L'eau condensée dans les nuages tombe au sol sous forme de pluie, de neige ou de grêle. L'énergie potentielle de l'eau dans les nuages est convertie en énergie cinétique lors de sa chute.
Centrales solaires thermiques
Les centrales solaires thermiques utilisent l’énergie du soleil pour produire de l’électricité. Ce processus implique plusieurs étapes thermodynamiques :
- Absorption de chaleur : Les capteurs solaires captent le rayonnement solaire et le convertissent en chaleur. Cette chaleur est utilisée pour chauffer un fluide de travail, souvent de l'huile thermique ou de l'eau.
- Transfert de chaleur : Le fluide chaud transfère son énergie à un générateur de vapeur. Dans ce processus, le fluide chaud cède de la chaleur à l’eau, la transformant en vapeur.
- Production d'électricité : La vapeur à haute pression entraîne une turbine reliée à un générateur électrique. La détente de la vapeur dans la turbine est un processus adiabatique qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique puis en énergie électrique.
- Condensation : La vapeur est à nouveau condensée en eau et recirculée vers le système, complétant ainsi le cycle.
Climatisation à énergie aérothermique
L'énergie aérothermique est une technologie efficace pour la climatisation des bâtiments, utilisant l'énergie thermique de l'air extérieur pour chauffer ou refroidir les espaces intérieurs.
Les systèmes aérothermiques sont de parfaits exemples pour notre objectif car ils fonctionnent sur la base de principes thermodynamiques.
- Extraction de chaleur : En mode chauffage, la pompe à chaleur extrait l'énergie thermique de l'air extérieur, même à basse température. Ce processus implique l'évaporation d'un réfrigérant dans le système, un processus qui absorbe la chaleur de l'environnement.
- Compression : Le réfrigérant gazeux est comprimé, augmentant sa température et sa pression selon un processus adiabatique.
- Condensation : Le réfrigérant chaud se condense dans un échangeur de chaleur, transférant l'énergie thermique au système de chauffage du bâtiment par un processus exothermique.
- Expansion : Le réfrigérant passe à travers un détendeur, réduisant sa pression et sa température avant de recommencer le cycle.