Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Conversions d'énergie

Le premier principe de la thermodynamique, ou principe de conservation de l'énergie, énonce que, dans un système fermé, la quantité d'énergie soumise à un processus de transformation se retrouve intégralement sous d'autres formes lorsque ce processus a pris fin.

Si le premier principe pose que toutes les formes d'énergie sont équivalentes en valeur, le second principe introduit une notion de qualité de l'énergie, celle-ci se dégradant d'énergie noble (mécanique, électrique), en chaleur. Selon ce principe, la quantité d'énergie utilisable (énergie noble) diminue obligatoirement dans un système isolé, du fait de l'existence d'irréversibilités. De plus, la limite supérieure du rendement de transformation de l'énergie thermique en travail mécanique est égale au rendement de Carnot : eta = 1 - Tf/Tc, Tc étant la température de la source d'énergie thermique (source chaude), et Tf celle de l'environnement ambiant (source froide), toutes deux étant exprimées en Kelvin.

Sur le plan pratique, les principales conversions d'énergie possibles sont les suivantes :

  • la photosynthèse assure la transformation du rayonnement solaire en biomasse végétale et plancton, ce qui, au cours des millénaires, a donné le jour à l'ensemble des réserves mondiales de combustibles fossiles ;

  • la combustion du charbon, des hydrocarbures et de la biomasse permet de fournir de la chaleur, utilisée dans de nombreux procédés industriels, pour le chauffage, etc. La quantité de chaleur qu'un combustible peut fournir est appelé son pouvoir calorifique ;

  • les machines thermiques permettent de transformer soit de la chaleur en énergie mécanique (cycles directs), laquelle peut être utilisée directement ou convertie en énergie électrique, soit de l'énergie mécanique en chaleur (cycles inverses), pour produire du froid (machines frigorifiques) par exemple ;

  • les dynamos et alternateurs, mus par une source d'énergie mécanique (moteur, turbine), produisent de l'électricité ;

  • les frottements et l'effet Joule convertissent en chaleur l'énergie mécanique ou électrique ;

  • les réacteurs nucléaires transforment les réactions de fission en chaleur, laquelle peut ensuite être utilisée pour générer de l'électricité.

Compte tenu des irréversibilités dont les conversions d'énergie sont le siège, les rendements des transformations sont en pratique inférieurs aux rendements maximaux théoriques.

Ainsi, lors de la combustion quand les produits de réaction se retrouvent à l'état gazeux, il est possible, à basse température, que certains d'entre eux se liquéfient ou même se solidifient, en dégageant une chaleur de condensation ou de solidification.

C'est notamment le cas lors de la combustion des hydrocarbures, de l'eau apparaissant parmi les produits. Le maximum de dégagement d'énergie est obtenu lorsque l'eau contenue dans les fumées est liquéfiée. La valeur de la chaleur de réaction complète prend alors le nom de pouvoir calorifique supérieur, ou PCS. Dans le cas le plus général où toute l'eau produite reste à l'état de vapeur, on lui donne le nom de pouvoir calorifique inférieur ou PCI.

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