Thermodynamique
Cycle de Carnot
Le cycle le plus efficace : η = 1 − Tc/Th.
Cycle de Carnot — simulation interactive de Thermodynamique. Le cycle le plus efficace : η = 1 − Tc/Th. Laboratoire virtuel de physique gratuit dans le navigateur, avec mesures SI en direct et tutoriel guidé.
Rendement de Carnot
Le cycle le plus efficace : η = 1 − Tc/Th.
Un moteur de Carnot fonctionne de façon réversible entre deux réservoirs. Chaque étape est soit isotherme (échange de chaleur à T fixe), soit adiabatique (sans chaleur). Aucun moteur réel ne peut dépasser ce rendement, car l'irréversibilité gaspille de l'énergie utile sous forme de production d'entropie.
- Efficacité de Carnot η = 1 − T_c/T_h
- η maximal
Mémoire d'enquête
Planifiez la question avant d'ouvrir le laboratoire
Le brief reprend la page pré-rendue : question directrice, prédictions concurrentes, rôles des variables, lois directrices, préparation et consignes d’analyse et de prolongement restent visibles et dans cet ordre.
Question de conduite
Un moteur Carnot transporte le gaz à travers les 4 étapes (expansion isotherme, expansion adiabatique, compression isotherme, compression adiabatique) jusqu'à son état de départ. L'énergie interne du gaz change-t-elle au cours d'un cycle complet ?
Des pronostics à peser
- L'énergie interne augmente au cours du cycle, puisque le gaz effectue un travail net positif.
- L’énergie interne revient à sa valeur de départ – zéro changement net sur un cycle fermé.
- L'énergie interne diminue au cours du cycle.
Rôles variables
Ce que vous définissez :
- Numéro d'étape
Ce que vous mesurez :
- Volume cible V de l'étape (L)
- Travail fourni par le gaz durant cette étape (J)
Comment se déroule l'enquête
- Ouvrez le préréglage « cycle de Carnot » et appuyez sur Réinitialiser. 1 mole d'argon (f = 3) décrit un cycle entre un réservoir chaud à 600 K et un réservoir froid à 300 K.
- Activez la lecture du travail par étape.
- Pour chaque étape du cycle (1 à 4), lisez le volume cible de l'étape et le travail effectué par le gaz pendant cette étape.
Équation gouvernante
Efficacité Carnot — η_c = 1 − Tc / Th
Le rendement maximum possible de tout moteur thermique fonctionnant entre un réservoir chaud Th et un réservoir froid Tc dépend uniquement de leur rapport de température : η_c = 1 − Tc/Th.
Ce que la feuille de travail imprimable demande aux élèves de résoudre
- Additionnez les valeurs de travail de vos 4 legs. Comparez le total à nR(Th − Tc)·ln(2) (environ, pour les rapports de volume de ce cycle) et comparez l'efficacité du cycle η = W_net/Qin à la valeur de Carnot η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
- Deux étapes ont un travail positif (expansion) et deux ont un travail négatif (compression). Expliquez pourquoi le travail *net* sur le cycle complet est toujours positif, ce qui en fait un moteur thermique plutôt qu'une boucle sans rien faire.
Où cela apparaît au-delà du laboratoire
- Aucun moteur réel fonctionnant entre les mêmes deux températures de réservoir ne peut battre l’efficacité Carnot. Expliquez, en utilisant η_c = 1 − Tc/Th, pourquoi un moteur ne pourrait atteindre 100% d'efficacité que si Tc = 0 K — physiquement inaccessible.
- Le cycle de Carnot est entièrement construit à partir d'étapes réversibles (isothermiques et adiabatiques, toutes deux idéalisées comme infiniment lentes). Expliquez pourquoi un moteur réel, qui présente inévitablement des frictions et un transfert de chaleur à vitesse finie, ne peut jamais atteindre ce rendement idéal.
- AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
- IB Physics — B.4 Thermodynamics
- General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
- NGSS High School Physics — Thermal energy transfer
- Bienvenue dans le cycle de Carnot
- Sélectionnez la enceinte
- Appuyez sur Lecture
- Rendement maximal
- Ouvrez l'Inspecteur
- Bravo !
Ouvrez la simulation interactive pour construire la scène, appuyez sur Lecture et explorez avec des mesures en direct et un tutoriel guidé.
Ouvrir le laboratoire interactif →
Télécharger la fiche de laboratoire →
Moteurs thermiques et rendement de Carnot