Thermodynamique

Cycle Otto

Le cycle du moteur à essence  : deux adiabatiques + deux isochores.

Cycle Otto — simulation interactive de Thermodynamique. Le cycle du moteur à essence  : deux adiabatiques + deux isochores. Laboratoire virtuel de physique gratuit dans le navigateur, avec mesures SI en direct et tutoriel guidé.

cycle Otto

Le cycle du moteur à essence  : deux adiabatiques + deux isochores.

Le cycle d'Otto modélise un moteur à allumage commandé  : une combustion rapide à volume presque constant élève la pression, suivie d'une détente adiabatique produisant du travail, puis un échappement à volume constant. Il est moins efficace que Carnot aux mêmes extrêmes de température car la chaleur est ajoutée à température variable.

• Efficacité du cycle Otto η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
• Moteur à essence

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

Le cycle d'Otto (compression adiabatique, chauffage isochore, détente adiabatique, refroidissement isochore) modélise un moteur à essence. Contrairement au cycle de Carnot, deux de ses branches sont à volume constant plutôt qu'à température constante. Pendant ces étapes à volume constant, le gaz fait-il un travail ?

Prédictions à évaluer

• Le travail est toujours effectué car la pression change au cours de ces étapes.
• Les étapes à volume constant font un travail négatif.
• Aucun travail n'est effectué pendant les étapes à volume constant, puisque W = PΔV et ΔV = 0.

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 d'Otto » et appuyez sur Réinitialiser. 1 mole d'azote (f = 5) se comprime de 40 L à 10 L, puis chauffe à volume constant jusqu'à 900 K.
2. Activez le travail par étape et les lectures de chaleur.
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 du cycle Otto — η = W / Qin

Le rendement mesuré du moteur est η = W/Q_in — travail net par chaleur absorbée ; c'est exactement ce que montre la formule citée et ce que calcule votre tableau de données. Pour le cycle Otto idéal, le rendement ne dépend que du taux de compression r = V₁/V₂ et du rapport des capacités thermiques γ : η = 1 − 1/r^(γ−1) — plus de compression, plus de rendement.

Ce que la feuille de travail imprimable demande aux élèves de résoudre

• Confirmez que les étapes 2 et 4 (les étapes isochores) affichent W = 0 dans votre table, tandis que les étapes 1 et 3 (adiabatiques) affichent un travail non nul. Calculez le taux de compression r = V₁/V₂ = 4 et l'efficacité du cycle η = 1 − 1/r^(γ−1) en utilisant γ = 1.4.
• Le résultat net de ce cycle est positif même si la moitié de ses branches ne font aucun travail. Expliquez comment les deux branches adiabatiques peuvent à elles seules produire un travail net positif.

Où cela apparaît au-delà du laboratoire

• Les vrais moteurs à essence sont limités à des taux de compression autour de 10-12 (des taux plus élevés provoquent un pré-allumage/cognement). En utilisant η = 1 − 1/r^(γ−1), expliquez pourquoi les concepteurs de moteurs poussent à des taux de compression plus élevés lorsque cela est possible.
• Un moteur diesel utilise un cycle différent (chauffage isobare au lieu d'isochore) mais une idée de compression adiabatique similaire. Les deux s'appuient sur des étapes adiabatiques pour convertir le travail de compression en températures plus élevées. Pourquoi est-il important de minimiser les pertes de chaleur pendant la compression pour les deux conceptions ?

• 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 Otto
2. Sélectionnez la enceinte
3. Appuyez sur Lecture
4. Cycle du moteur a essence
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