Le cycle de Stirling  : étapes isothermes avec régénération

1 · Prédire

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

2 · Configurer

  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.

3 · Collecter les données

Numéro d'étapeVolume cible V de l'étape (L)Travail fourni par le gaz durant cette étape (J)
1
2
3
4

Esquissez le diagramme P-V pour les 4 étapes, en marquant les 2 étapes isothermes (courbes) et les 2 étapes isochores (verticales).

4 · Analyser

  1. 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.
  2. 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.

5 · Approfondir

  1. 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.
  2. 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 ?

La physique derrière cette expérience

Limite de Carnot sur le rendement du cycle

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.

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Thermodynamique

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