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03 Juil

Le cycle de Carnot

Né le 1er juin 1976 à Paris, Nicolas Léonard Sadi Carnot est à l’origine de la thermodynamique, la discipline de la chaleur et de la mécanique. Cette dernière a permis la conception du cycle de Carnot expliquant que le travail mécanique provient des échanges entre la source chaude et la source froide.

A propos de l’auteur du cycle de Carnot

Sadi Carnot est un physicien et ingénieur français. Il était dans une école polytechnique lorsque le thermomètre, servait à étudier la chaleur, bien que cela soit surtout dédié aux chimistes et médecins. Ces derniers ont émis l’axiome de conservation de la chaleur conçue comme un calorique.
En 1824, à 27 ans, Sadi Carnot a publié un livre « Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance ». Celui-ci demeura son unique et ultime œuvre puisque Carnot ne vit pas longtemps. Il rend l’âme à 36 ans, suite à la maladie de choléra. Son livre a par ailleurs marqué l’histoire de la physique en proposant une nouvelle discipline qu’est la thermodynamique.
Le physicien évoque intelligemment le moteur thermique et ses principes de base qui ont permis la conception automobile, de moteur à réaction ou de centrale énergétique. Son étude s’appuie essentiellement sur l’amélioration des performances de la machine à vapeur et sur toutes préoccupations techniciennes. Sadi Carnot se concentre et accorde une certaine importance à la chaleur, responsable des principaux mouvements naturels. Il fait alors le constat que le rendement des plus grandes machines à vapeur sont minimes comparé aux effets mécaniques de la chaleur. Il a avancé une étude originale et apporté des évolutions qui vont servir par la suite à la science moderne.
Plusieurs scientifiques comme Lord Rumford ou Joseph Fourier ont frayé un chemin aux physiciens et mathématiciens sur la chaleur et le transfert de celle-ci dans la continuité de leurs travaux. Les météorologistes étaient également à l’honneur dans le système des courants océaniques et des vents en cernant le rôle de la chaleur. On parle dans les observations de terrain de réchauffement et de refroidissement adiabatique.

Le cycle expliqué par Carnot

Dans son livre, Carnot parle d’un cycle qu’il a inventé pour servir au travail mécanique à partir des échanges de la source chaude et de la source froide. Dans ce processus, on constate 3 usages :

  • Le gaz parfait
  • Le piston mobile, qui se déplace dans un cylindre sans frottement mécanique
  • Deux sources différentes, chaude et froide

Le cycle de Carnot permet notamment deux transformations isothermes et deux transformations adiabatiques. Autrement dit, le gaz supporte une compression et une détente isothermes – à température constante – et une compression et une détente adiabatiques – sans échange de chaleur.

le cycle de carnot

Le cycle réversible de Carnot à travers le diagramme de Clapeyron

Emile Clapeyron est considéré comme parmi les fondateurs de la thermodynamique. Il a mis au point le diagramme de Clapeyron ou diagramme PV représente la pression P d’un système thermodynamique par rapport au volume massique V ou au volume molaire. A travers Ce diagramme de Clapeyron sur la pression et le volume, on peut voir le cycle réversible de Carnot. Le travail W correspond à la surface entre les points ABCD, à l’ensemble du travail réalisé par le piston et la quantité de chaleur utilisé dans le cycle.
Avec les points A-B, on parle de détente isotherme où on soumet les molécules de gaz à la température T1, source chaude absorbée par le gaz. La pression diminue si le volume augmente. On parle de travail positif du piston. La détente adiabatique, à travers les points B-C se caractérise par la suppression de la source chaude, la diminution de la pression et l’augmentation du volume. La température est égale à T2 au point C de la température. Pour les points C-D, on est à la compression isotherme. On soumet le gaz à la température T2, source froide où celui-ci donne de la chaleur à la source froide. Le piston indique un travail négatif avec une augmentation de la pression et une réduction du volume. Des points D-A, il est question de compression adiabatique : suppression de la source froide, augmentation de la pression, réduction du volume. Quant à la température, elle va augmenter pour atteindre T1.
On dit que le cycle est réversible parce que le moteur peut s’amorcer en sens inverse. On parle alors de consommation d’un travail égal au sens direct et au transfert de la même quantité de chaleur. Avec ce dernier, le corps froid devient chaud. Comme il n’existe pas de flux de chaleur superflue, le cycle est entièrement réversible, le rendement y est aussi meilleur. Inversement, dans le cas d’une présence d’un flux, on ne parle pas de réversibilité du moteur. Par conséquent, Carnot approuve que le mouvement continu n’est pas possible et la vapeur est peu satisfaisante comparée à d’autres substances.

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