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

Résumé de l'investigation

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 directrice

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 ?

Prédictions à évaluer

• 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 des 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

1. 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.
2. Activez la lecture du travail par étape.
3. 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 des 4 étapes.
• 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

1. Bienvenue dans le cycle de Carnot
2. Sélectionnez la enceinte
3. Appuyez sur Lecture
4. Rendement maximal
5. Ouvrez le panneau des Propriétés
6. 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