♨️ Moteur, frigo, pompe à chaleur : les machines dithermes
Une voiture, un réfrigérateur et une pompe à chaleur sont des cousins : trois machines qui tournent en rond entre une source chaude et une source froide. Règle les flèches d'énergie, invente ta propre machine… et regarde le deuxième principe te dire, très poliment, quand ta machine est impossible.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- La largeur de chaque flèche est proportionnelle à l'énergie échangée : sur un cycle, ce qui entre dans la machine en ressort, c'est le premier principe W + Qc + Qf = 0.
- Un moteur reçoit de la chaleur de la source chaude mais en rejette toujours une partie à la source froide : impossible de tout transformer en travail.
- Le réfrigérateur et la pompe à chaleur font « remonter » la chaleur du froid vers le chaud, mais seulement si on leur fournit du travail électrique.
- La jauge compare la machine à la machine idéale de Carnot : la zone hachurée en rouge est interdite par le deuxième principe, car l'entropie créée y serait négative.
- Les vraies machines restent loin de Carnot : frottements, écarts de température dans les échangeurs et combustions brutales créent de l'entropie.
Expériences à faire
- Pour un moteur entre 500 °C et 20 °C, quel est le meilleur rendement possible ? Et si la source froide passe à 80 °C ?
- Pourquoi une pompe à chaleur a-t-elle une efficacité plus grande que 1 ? Est-ce qu'elle crée de l'énergie ?
- Compare le réfrigérateur et le congélateur : pourquoi faut-il plus de travail pour garder des aliments à −18 °C ?
- Choisis ✏️ Mes valeurs et entre les données d'un exercice : un moteur reçoit Qc = 2 500 J à 400 °C et cède 1 600 J à 20 °C. Est-il possible ? Quelle entropie crée-t-il ?
- Choisis la centrale nucléaire : quelle fraction du maximum de Carnot atteint-elle réellement ?
La physique derrière l'animation
- Premier principe sur un cycle (l'énergie interne revient à sa valeur de départ) : W + Qc + Qf = 0, chaque énergie étant comptée positivement quand la machine la reçoit.
- Deuxième principe (inégalité de Clausius) : Qc/Tc + Qf/Tf ≤ 0, températures en kelvins ; l'entropie créée par cycle vaut Scr = −(Qc/Tc + Qf/Tf) ≥ 0, et s'annule pour une machine réversible.
- Moteur : η = −W/Qc ≤ ηC = 1 − Tf/Tc (rendement de Carnot). Un moteur avec Qf = 0 serait monotherme : c'est interdit (énoncé de Kelvin-Planck).
- Réfrigérateur : e = Qf/W ≤ Tf/(Tc − Tf) ; pompe à chaleur : e = −Qc/W ≤ Tc/(Tc − Tf). Sans travail, la chaleur ne passe jamais du froid vers le chaud (énoncé de Clausius).
- Ordres de grandeur réels : moteur de voiture η ≈ 35 % (un moteur à combustion n'est pas vraiment ditherme : on prend Tc ≈ température des gaz brûlés), centrale nucléaire ≈ 33 %, réfrigérateur COP ≈ 2 à 3, pompe à chaleur air-eau COP ≈ 3 à 4, souvent 40 à 50 % du maximum de Carnot.
D'autres animations
De la glace à la vapeur : les changements d'état
Chauffe un bloc de glace jusqu'à la vapeur : paliers à 0 °C et 100 °C, énergie reçue et molécules qui se libèrent, en direct.
Manipuler →L'énergie d'un changement d'état : Q = m·L
Fais fondre, bouillir ou geler eau, fer, plomb ou carboglace : Q = m × L se calcule en direct et la droite Q(m) compare les espèces.
Manipuler →La centrale nucléaire : de la fission à l'électricité
Suis l'énergie dans une centrale nucléaire : cœur, générateur de vapeur, turbine, alternateur, condenseur et tour. Rendement η = P_e / P_th ≈ 33 %.
Manipuler →Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉
ExpoSinus est un site d'éducation : les jeux et les articles sont là pour donner envie, les cours et les exercices pour progresser vraiment.