Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique connu pour son efficacité optimale. Le cycle de Carnot transforme l'énergie disponible sous forme de chaleur pour produire des processus réversibles adiabatiques (isotropes) et d'autres processus.
L'efficacité du moteur de Carnot est égale à un moins le rapport de la température du réservoir thermique chaud à la température du réservoir froid. Le cycle de Carnot est connu pour établir le meilleur taux d'efficacité qu'un cycle ou un moteur peut atteindre.
Le fluide de travail effectue du travail pendant la première partie du cycle, et du travail est effectué sur le fluide de travail pendant la seconde partie du cycle. La différence entre les deux est le travail net effectué.
L'efficacité du cycle peut être maximisée en utilisant les processus qui nécessitent le moins de travail et en fournissant le plus en utilisant des processus réversibles. En pratique, les cycles réversibles ne peuvent pas être réalisés en raison de l'irréversibilité associée à chaque processus, qui ne peut pas être éliminée.
Les réfrigérateurs et les moteurs thermiques qui fonctionnent sur des cycles réversibles sont considérés comme des modèles pour comparer les moteurs thermiques et les réfrigérateurs réels. Dans le développement du cycle réel, le cycle réversible sert de point de départ et est modifié afin de répondre aux exigences.
Le cycle de Carnot est composé de quatre processus réversibles (2 processus isothermes réversibles et 2 processus adiabatiques réversibles) comme suit:
Le cycle de Carnot est démontré ci-dessous à travers l'exemple pertinent du piston:
ÉTAPE 1 – 2
(Expansion isotherme réversible, Th = Constant)
TH est la température initiale du gaz et également la température du réservoir, en contact étroit avec la tête du cylindre.
La température du gaz diminue lorsque le gaz s'expande, et celle-ci est maintenue constante en transférant une quantité infinitésimale de chaleur (dT) du réservoir au gaz.
La quantité de chaleur transférée au gaz lors du processus est Qh
ÉTAPE 2 – 3
(Expansion adiabatique réversible, baisse de température de TH à TL)
Le système devient adiabatique lorsque le réservoir de chaleur est remplacé par une isolation. Au cours de ce processus, la température du gaz passe de Th à Tl.
Ce processus est appelé réversible et adiabatique (notez que la thermodynamique de l'ingénieur a une définition spécifique pour les systèmes et les processus).
ÉTAPE 3 – 4
(Compression isotherme réversible, Tl = constant)
Au stade 3, le puits de chaleur remplace l'isolation de la tête du cylindre à la température Tl. Lorsqu'une force externe pousse le piston vers l'intérieur pour faire du travail sur le gaz, la température du gaz augmente.
Mais la température du gaz est maintenue constante en rejetant de la chaleur dans le puits. La quantité de chaleur rejetée lors du processus est Ql.
ÉTAPE 4 – 1
(Compression adiabatique réversible, augmentation de la température de Tl à Th)
Le puits de chaleur est remplacé par une isolation et la température du gaz augmente de Tl à Th au cours du processus de compression.
Le travail effectué par le gaz lors du processus d'expansion est l'aire sous la courbe 1-2-3.
Le travail effectué sur le gaz lors du processus de compression est l'aire sous la courbe 3-4-1
Ainsi, le travail net effectué est donné par l'aire sous le chemin 1-2-3-4-1.
L'efficacité du moteur thermique dépend de la température maximale et minimale du cycle:
Carnot affirme que l'efficacité du moteur thermique est indépendante du type de fluide et dépend uniquement des températures maximales et minimales pendant le cycle.
Ainsi, l'efficacité du moteur thermique est plus élevée lorsqu'il fonctionne à une température de vapeur surchauffée.
Cycle de Carnot et deuxième loi de la thermodynamique:
Le cycle de Carnot a clairement démontré le fait que la chaleur est absorbée depuis une source de haute température appelée réservoir et la chaleur est rejetée dans un puits. Ce fait est à la base de la deuxième loi de la thermodynamique. Cependant, un travail externe est nécessaire pour déplacer la chaleur dans le sens inverse.
Le cycle de Carnot est un cycle réversible, et il devient le cycle de réfrigération de Carnot lorsque le processus est inversé. La direction des interactions de chaleur et de travail est totalement inversée, ainsi
Ainsi,
La chaleur absorbée du réservoir de basse température est Ql
La chaleur rejetée dans un réservoir de haute température est Qh
Le travail effectué est Wnet-in
Le cycle de Carnot inversé est le même que le cycle de Carnot conventionnel, sauf pour la direction des processus.
Le cycle de Carnot est nommé d'après "N. L. Sadi Carnot" qui l'a inventé en 1824. Sadi Carnot est considéré comme le fondateur de la thermodynamique pour avoir découvert la relation entre la chaleur et le travail. Carnot était l'un des premiers à réaliser que la chaleur n'est essentiellement que du travail sous une forme différente.
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