Chaleur, énergie et moteurs : lois de la thermodynamique

Température et zéro absolu

Dans la scène, les particules d’un gaz s’agitent dans une boîte ; chauffez-la et elles vont plus vite. La température mesure l’énergie moyenne de ce mouvement. L’énergie cinétique moyenne d’une molécule de gaz est E = 3/2·k·T, où k = 1,381 × 10⁻²³ J/K et T est la température en kelvins, K = °C + 273,15. À 20 °C, T = 293,15 K et E = 1,5 × 1,381 × 10⁻²³ × 293,15 ≈ 6,1 × 10⁻²¹ J. Une molécule d’azote ayant cette énergie se déplace à environ 510 m/s. Rien ne peut être plus froid que le zéro absolu, 0 K ou −273,15 °C.

Trois chemins pour la chaleur

Une tasse chaude dans une pièce fraîche perd de la chaleur jusqu’à ce que les deux s’égalisent ; elle ne revient jamais d’elle-même. Elle voyage de trois façons. La conduction passe le mouvement de particule en particule dans un solide. La convection transporte la chaleur dans un fluide en mouvement, comme l’air chaud qui monte d’un radiateur. Le rayonnement transporte la chaleur sous forme de lumière, même à travers le vide, c’est ainsi que le Soleil réchauffe la Terre. Pour la conduction, P = k·A·ΔT / d. Si les faces d’une vitre de 4 mm (k = 1,0 W/(m·K), 1,5 m²) différaient vraiment de 20 K, elle laisserait passer 1,0 × 1,5 × 20 / 0,004 = 7 500 W. Les vraies faces sont presque égales, car c’est l’air immobile qui isole.

Deux lois

Le premier principe dit que l’énergie se conserve : la variation d’énergie interne est la chaleur reçue moins le travail fourni, ΔU = Q − W. Dans les années 1840, James Joule a montré que des palettes brassant de l’eau la réchauffent d’une quantité mesurée pour chaque unité de travail. Le second principe dit que la chaleur ne passe pas d’elle-même du froid au chaud, et qu’aucun moteur ne transforme en travail toute la chaleur qu’il reçoit ; une partie doit aller vers quelque chose de plus froid. Un moteur reçoit 1 000 J, fournit 300 J de travail et doit rejeter 700 J, puisque 300 + 700 = 1 000. Son rendement est 300 / 1 000 = 30 %.

Quatre temps

La coupe montre un cylindre de moteur à essence. Admission : le piston descend et aspire l’air et le carburant. Compression : le piston monte et comprime le mélange. Combustion : une étincelle l’enflamme, le gaz chaud se détend et repousse le piston vers le bas. Échappement : le piston remonte et chasse les gaz brûlés. Nikolaus Otto a construit le premier moteur à quatre temps réussi en 1876. Le cycle prend deux tours de vilebrequin, donc à 3 000 tours par minute chaque cylindre s’allume 1 500 fois par minute, soit 25 fois par seconde.

Le plafond de Carnot

Même un moteur thermique parfait est limité. Le résultat de Sadi Carnot, en 1824, est rendement = 1 − T_f / T_c, où T_c est la température de la source chaude et T_f celle de la source froide, toutes deux en kelvins. Avec T_c = 800 K et T_f = 300 K, la limite est 1 − 300 / 800 = 0,625, soit 62,5 %. Élevez le côté chaud ou refroidissez le côté froid et la limite monte. Dans le bac à sable, réglez les deux températures et regardez le plafond bouger ; les vrais moteurs restent toujours en dessous à cause des frottements et des fuites de chaleur.

Essence contre électrique

Un moteur à essence en conduite courante transforme en mouvement environ 25 à 30 % de l’énergie du carburant. Un litre d’essence contient environ 34 MJ, soit 34 / 3,6 ≈ 9,4 kWh ; à 27 %, environ 2,5 kWh arrivent aux roues. Un moteur électrique n’est pas un moteur thermique, donc aucune limite de Carnot ne s’applique, et il transforme environ 90 % de l’électricité en mouvement. La centrale et la batterie ont leurs propres pertes, mais sur un trajet entier la voiture électrique gaspille encore bien moins d’énergie sous forme de chaleur.

Chaleur, énergie et moteurs