Thermodynamique

Cycle Stirling

Deux isothermes + deux isochores (sans régénérateur modélisé).

Cycle Stirling — simulation interactive de Thermodynamique. Deux isothermes + deux isochores (sans régénérateur modélisé). Laboratoire virtuel de physique gratuit dans le navigateur, avec mesures SI en direct et tutoriel guidé.

cycle Stirling

Deux isothermes + deux isochores (sans régénérateur modélisé).

Le cycle Stirling utilise un régénérateur pour stocker la chaleur pendant les étapes à volume constant et la restituer plus tard, s'approchant d'un rendement proche de Carnot dans une conception idéale. Les moteurs Stirling réels échangent de la complexité contre un fonctionnement plus silencieux et des sources de chaleur flexibles.

• Deux isothermes + deux isochores (pas de régénérateur modélisé)
• η_Carnot à la limite idéale

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 de Stirling utilise 2 branches isothermes et 2 branches isochores, sans aucune branche adiabatique.

Prédictions à évaluer

• Oui, sans régénérateur, le rendement brut de ce cycle est inférieur à la limite de Carnot pour les deux mêmes températures de réservoir.
• Le rendement est exactement égal à la limite de Carnot quelle que soit la régénération.
• L'efficacité dépasse la limite de Carnot.

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. 1 mole d'argon effectue un cycle entre 600 K et 300 K en utilisant uniquement des étapes isothermes et isochores.
2. Activez la lecture du travail par étape et la lecture de l’efficacité du cycle.
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

Limite de Carnot sur le rendement du cycle — η_c = 1 − Tc / Th

Aucun cycle fonctionnant entre les températures Tc et Th — Stirling inclus — ne peut dépasser le rendement de Carnot η_c = 1 − Tc/Th. Un cycle de Stirling réel (non régénéré) n'atteint pas cette limite car il évacue la chaleur non récupérée au cours de sa phase de refroidissement isochore.

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

• Confirmez que les étapes 2 et 4 (isochorique) montrent W = 0. Additionnez le travail de tous les 4 étapes pour le travail du cycle net et comparez la lecture d'efficacité du cycle à la limite de Carnot η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
• Le rendement brut de ce cycle (sans régénérateur idéal récupérant la chaleur des étapes isochores) reste inférieur à 0.5. Expliquez, à l'aide de la première loi, pourquoi la chaleur évacuée pendant la phase de refroidissement isochore représente l'énergie que le moteur simple ne récupère pas.

Où cela apparaît au-delà du laboratoire

• Un vrai moteur Stirling utilise un régénérateur – un maillage qui stocke la chaleur libérée lors du refroidissement isochore et la restitue lors du chauffage isochore. Expliquez pourquoi un régénérateur parfait permettrait à ce cycle de se rapprocher de l'efficacité de Carnot même sans étapes adiabatiques.
• Les moteurs Stirling sont appréciés pour fonctionner avec n'importe quelle source de chaleur externe (solaire, chaleur résiduelle, même les différences de température dans l'espace) plutôt que de nécessiter une combustion interne. Pourquoi un moteur à cycle fermé avec chauffage externe pourrait-il être intéressant pour ces applications ?

• 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 Stirling
2. Sélectionnez la enceinte
3. Appuyez sur Lecture
4. Cycle regeneratif
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