Un
cycle thermodynamique est une succession de transformations thermo-physiques sur un fluide,
visant à modifier ses propriétés thermodynamiques, et agencées de telle
sorte que le fluide retrouve son état initial à la fin du cycle. De cette sorte, le
processus peut être renouvelé infiniment.
Le cycle thermodynamique le plus connu est sans doute le cycle de Carnot.
Les transformations peuvent être des opérations de:
- chauffage et refroidissement
- compression et détente
- vaporisation et condensation
- adsorption, désorption
Les propriétés affectées sont:
- l'enthalpie
- l'entropie
- pression et température
- l'état (solide, liquide ou gazeux)
Les transformations peuvent être:
- isothermiques (à température constante)
- Parfois un échange de chaleur sera nécessaire.
- isentropique (à
entropie constante)
- Cela concerne principalement les compressions et
les détentes. Pour être isentropique, une compression ou une détente
doit se produire en équilibre permanent avec une contre-pression.
Concrètement une transformation isentropique est réalisée dans une
machine apportant une énergie mécanique (compresseur, ...) ou en
générant (turbine, ...). Elle est qualifiée également du terme
"réversible" car l'opération peut être théoriquement à tout moment
inversée par action de la contre-pression. Dans la pratique une
transformation isentropique parfaite n'est pas possible; elle suppose
que la contre-pression soit en permanence égale à la pression du fluide
en transformation; le système serait donc immobile.
- isenthalpique (à enthalpie constante)
- Cela concerne principalement les compressions et les détentes.
- adiabatique
- sans échange avec l'extérieur.
Les cycles thermodynamiques sont utilisés pour:
- convertir de la chaleur en énergie mécanique (ou électrique)
- transférer de la chaleur d'une source froide vers une source chaude (pompe à chaleur, groupe frigorifique)
- liquéfier des gaz
Les diagrammes thermodynamiques
L'étude de tels cycles thermodynamiques est facilitée par l'utilisation de diagrammes thermodynamiques:
- diagramme P-H (Pression - Enthalpie)
- diagramme T-S (Température - Entropie)
- diagramme H-S (Enthalpie - Entropie)
Diagrammes P-V (Clapeyron)
Les
cycles thermodynamiques sont parfois représentés sur des diagrammes de
Clapeyron avec la pression en ordonnée et le volume en abscisse. Ces
diagrammes sont surtout utiles aux concepteurs de machines car ils
représentent l'évolution des caractéristiques dimensionnelles du gaz.
Ils apportent peu d'information utile au thermodynamicien qui préféreront les diagrammes thermodynamiques.
Diagrammes P-H
Les
diagrammes P-H avec la pression en ordonnée et l'enthalpie en abscisse,
sont sans doute les plus utilisés par les frigoristes.
On y représente:
- les courbes du liquide et de la vapeur à saturation
- les courbes de mélange liquide-vapeur à taux de vaporisation constant
- les courbes isotherme (les couples P-H pour une même température)
- les courbes isentropiques (les couples P-H pour une même valeur d'entropie)
Les
transformations (de P1 à P2), parfaitement isentropiques
(théorique et idéale) suivent une courbe isentropique, tandis que les
transformations parfaitement isothermes suivent une courbe isotherme.
Les transformations réelles, ni parfaitement isothermes, ni
parfaitement isentropiques sont représentées débutant sur une isotherme
et aboutissant sur une autre isotherme.
L'énergie mécanique ou thermique échangée est indiquée par la différence d'enthalpie (H2 - H1)
Diagramme T-S
Les
diagrammes T-S avec la température en ordonnée et l'entropie en
abscisse, sont parfois utilisés pour représenter les cycles
thermodynamiques. Ils sont surtout utiles pour analyser des cycles
idéaux pour lesquels:
- les transformations isothermes sont représentées par des droites horizontales
- les transformations isentropiques sont représentées par des droites verticales
Diagrammes H-S (Mollier)
Aussi nommés Diagrammes de Mollier, ils sont tracés avec l'enthalpie (H) en ordonnée et l'entropie (S) en abscisse.
Les
cycles thermodynamiques ont été imaginés et perfectionnés au cours du
temps par différents physiciens. Il est d'usage de désigner les
différentes versions par le nom de leurs auteurs.
