Le cycle de Stirling : étapes isothermes avec régénération
1 · Prédire
Le cycle de Stirling utilise des branches isothermes 2 et des branches isochoriques 2 , pas de branches adiabatiques du tout. Son efficacité peut en principe égaler la valeur de Carnot si un « régénérateur » parfait recycle la chaleur entre les branches isochores. Sans un régénérateur idéal, l’efficacité du cycle simple que vous mesurez est-elle inférieure à la limite de Carnot ?
- 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.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage du cycle Stirling et appuyez sur Réinitialiser. 1 mol de cycles d'argon entre 600 K et 300 K en utilisant uniquement des branches isothermes et isochores.
- Activez la lecture du travail par étape et la lecture de l’efficacité du cycle.
- 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'étape | Volume cible V de l'étape (m³) | Travail fourni par le gaz durant cette étape (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Esquissez le diagramme P-V pour tous les pieds 4 , en marquant les segments 2 isothermiques (incurvés) et 2 isochoriques (verticaux).
4 · Analyser
- 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.
5 · Approfondir
- 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 ?
La physique derrière cette expérience
Carnot lié à l’efficacité 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.