Moteur thermique de Carnot

Le Moteur thermique de Carnot donne vie à la thermodynamique classique en associant un ensemble piston-cylindre-volant d'inertie animé en 3D à un diagramme Pression-Volume (P-V) 3D synchronisé. Les élèves peuvent faire glisser la tête du piston pour parcourir le cycle ou cliquer sur l'un des quatre états sommets : Détente isotherme en contact avec la source chaude T_H, Détente adiabatique jusqu'à T_C, Compression isotherme en contact avec la source froide T_C, et Compression adiabatique de retour à T_H. Les molécules de gaz accélèrent et ralentissent avec la température tandis que les indicateurs en direct affichent le rendement de Carnot eta = 1 - T_C / T_H, la température du gaz, la pression et le travail net par cycle.

• Cliquez sur chacun des quatre sommets de la boucle P-V pour passer successivement par la Détente isotherme, la Détente adiabatique, la Compression isotherme et la Compression adiabatique.
• Augmentez la température de la Source chaude T_H de 500 K à 900 K tout en maintenant T_C à 300 K, et observez l'aire délimitée par la boucle P-V ainsi que le rendement de Carnot eta augmenter.
• Abaissez la température de la Source froide T_C de 400 K à 200 K et vérifiez que refroidir la source froide augmente le rendement encore plus efficacement que d'élever T_H de la même valeur.
• Faites glisser manuellement la tête du piston de haut en bas et observez comment le pont thermique sous le cylindre bascule entre T_H, isolé et T_C.
• Augmentez le Rapport de détente isotherme et remarquez que le Travail net par cycle augmente alors que le pourcentage théorique du rendement de Carnot reste inchangé.

1. 1Identifier les quatre transformations réversibles qui composent le cycle du moteur thermique de Carnot sur un diagramme P-V.
2. 2Calculer le rendement théorique maximal de tout moteur thermique à l'aide de la formule eta = 1 - T_C / T_H.
3. 3Distinguer les transformations isothermes (température constante, transfert thermique) des transformations adiabatiques (parois isolées, variation de température par travail).
4. 4Expliquer pourquoi l'aire délimitée à l'intérieur de la boucle P-V représente le travail mécanique net fourni par cycle.

Questions fréquentes des enseignants