
Les moteurs thermiques sont des systèmes fondamentaux de l’ingénierie moderne, conçus pour convertir l’énergie thermique en énergie mécanique.
Cette conversion est basée sur les principes de la thermodynamique et est réalisée grâce au transfert de chaleur d'une source chaude vers un puits froid. Son application est vaste, des véhicules aux centrales électriques.
Qu'est-ce qu'un moteur thermique ?
Un moteur thermique est un type de machine qui utilise l'énergie thermique générée par la combustion de carburants comme l'essence, le diesel, ou même de ressources naturelles comme la chaleur solaire, pour produire un travail mécanique.
Ce processus implique la dilatation d'un fluide, tel qu'un gaz ou un liquide, qui génère un mouvement.
Comment fonctionne un moteur thermique ?
Il existe de nombreux types de moteurs thermiques et chacun d’eux a un fonctionnement particulier. Cependant, ils partagent tous certaines caractéristiques communes :
- Absorption de chaleur : Le moteur reçoit de l'énergie thermique provenant d'une source à haute température. Cette source peut provenir de la combustion d'un carburant (comme dans les moteurs à combustion interne), du chauffage de la vapeur (comme dans les moteurs à vapeur) ou encore de processus naturels (comme dans les moteurs Stirling).
- Transformation en travail : En absorbant de la chaleur, le fluide de travail (comme l'air, le gaz, la vapeur ou un mélange de ceux-ci) augmente son énergie interne. Cette augmentation provoque sa dilatation, qui sert à effectuer des travaux mécaniques, comme pousser un piston, faire tourner une turbine ou déplacer un essieu.
- Rejet de chaleur : Après avoir travaillé, le fluide perd une partie de son énergie thermique vers un puits à basse température. Cela permet au moteur de revenir à son état initial et le cycle peut être répété.
Les moteurs thermiques fonctionnent selon des cycles répétitifs, qui peuvent être fermés (comme le cycle Carnot ou Stirling) ou ouverts (comme les cycles Otto et Diesel).
Dans tous les cas, la différence de température entre la source chaude et le puits froid est la clé, car c’est cette différence qui détermine le processus.
Types de moteurs thermiques
Un moteur thermique peut être classé de différentes manières. Dans l’une de ces classifications, nous pouvons distinguer :
- Moteurs à combustion interne : La combustion se produit dans une chambre interne du moteur lui-même, où sont générés les gaz qui produisent la dilatation qui provoque le travail. Par exemple, les moteurs de voitures.
- Moteurs à combustion externe : Ce sont ceux dans lesquels la combustion a lieu en dehors du moteur. La chaleur dégagée est transmise à un fluide intermédiaire. Ce flux intermédiaire produit de l'énergie mécanique. Par exemple, la machine à vapeur, où le fluide intermédiaire est la vapeur d'eau et le lieu de combustion est la chaudière, qui est à l'extérieur du moteur. Un autre exemple serait celui des moteurs thermiques des centrales nucléaires qui utilisent l’énergie nucléaire pour la convertir en énergie mécanique.
exemples quotidiens
Quelques exemples de moteurs thermiques sont les suivants :
- Moteur diesel : Utilisé dans les camions, les bus, les bateaux et certaines voitures, il fonctionne en brûlant du diesel pour générer du travail mécanique.
- Turbines à gaz : Couramment utilisées dans les avions et les centrales électriques, elles fonctionnent en brûlant du gaz naturel ou des carburants liquides.
- Moteur Stirling : Moteur thermique à piston qui fonctionne par détente et compression d'un gaz, utilisé dans des applications telles que les petits générateurs d'électricité et certaines installations solaires.
- Machine à vapeur : Historiquement utilisée dans les locomotives et les navires, elle repose sur la détente de la vapeur d'eau pour déplacer des pistons ou des turbines.
- Cycle Rankine : Utilisé dans les centrales thermoélectriques, où la vapeur se dilate dans une turbine pour produire de l'électricité.
Différences entre un moteur et un moteur thermique
La notion de moteur thermique est souvent confondue avec celle de moteur thermique. Ces termes sont liés mais ne sont pas exactement les mêmes.
Un moteur thermique est un appareil ou un système qui fonctionne en établissant des échanges de chaleur et de travail avec son environnement.
Pour y parvenir, la machine transforme une substance selon un processus cyclique ou une séquence d'opérations. A la fin de chaque cycle, la substance revient à son état initial et un nouveau cycle commence.
Un moteur thermique peut fonctionner comme un moteur s’il convertit la chaleur en travail, ou comme un réfrigérateur ou une pompe à chaleur s’il convertit le travail en chaleur.