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MPSI · Physique-chimie · L’énergie : conversions et transferts · Chapitre 20

Machines thermiques

Fiche de cours13 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1Qu’est-ce qu’une machine thermique ?

Définition. Une machine thermique est un dispositif dans lequel un fluide (l’agent thermodynamique : eau, air, fluide frigorigène) décrit une suite de transformations en échangeant du travail et des transferts thermiques avec le milieu extérieur. Elle est dite cyclique lorsque le fluide revient périodiquement dans le même état : sur un cycle, l’état initial et l’état final sont identiques.

Définition. Un thermostat (ou source de chaleur) est un système dont la température reste uniforme et constante quels que soient les transferts thermiques qu’il échange : atmosphère, fleuve, sol, local climatisé, foyer de combustion entretenu. Une machine est monotherme si elle n’échange de transfert thermique qu’avec un seul thermostat, ditherme si elle en échange avec exactement deux, notés TcT_c (source chaude) et TfT_f (source froide), avec Tc>Tf>0T_c>T_f>0.

Notation. Le système étudié est le fluide, et toutes les énergies sont comptées positivement lorsqu’elles sont reçues par le fluide : WW est le travail reçu sur un cycle (travail des forces de pression et travail d’un arbre), QcQ_c et QfQ_f les transferts thermiques reçus respectivement de la source chaude et de la source froide. Les températures sont toujours en kelvins. Si la machine décrit ff cycles par seconde, les puissances valent P=f W\mathcal{P}=f\,W, Pc=f Qc\mathcal{P}_c=f\,Q_c, Pf=f Qf\mathcal{P}_f=f\,Q_f.

AttentionLa limite du programme

On n’étudie que des machines cycliques et dithermes. Les machines polythermes (plus de deux sources) ne sont pas au programme : un dispositif industriel réel se modélise par une machine ditherme, en identifiant les deux thermostats entre lesquels il fonctionne.

2Les deux principes appliqués à un cycle

Théorème — premier principe sur un cycle. UU est une fonction d’état : sur un cycle, ΔU=0\Delta U=0. Le premier principe ΔU=W+Q\Delta U=W+Q donne donc

 W+Qc+Qf=0 \boxed{\ W+Q_c+Q_f=0\ }

Théorème — deuxième principe sur un cycle. SS est une fonction d’état : sur un cycle, ΔS=0\Delta S=0. Le deuxième principe ΔS=Seˊch+Screˊeˊe\Delta S=S_{\text{éch}}+S_{\text{créée}} avec Seˊch=QcTc+QfTfS_{\text{éch}}=\dfrac{Q_c}{T_c}+\dfrac{Q_f}{T_f} donne QcTc+QfTf+Screˊeˊe=0\dfrac{Q_c}{T_c}+\dfrac{Q_f}{T_f}+S_{\text{créée}}=0, et comme Screˊeˊe⩾0S_{\text{créée}}\geq 0 :

 QcTc+QfTf⩽0 (ineˊgaliteˊ de Clausius)\boxed{\ \frac{Q_c}{T_c}+\frac{Q_f}{T_f}\leq 0\ }\qquad\text{(\cle{inégalité de Clausius})}

avec égalité si et seulement si le cycle est réversible.

AttentionLes températures de l’inégalité de Clausius

TcT_c et TfT_f sont les températures des thermostats, pas celles du fluide : l’entropie échangée se calcule toujours avec la température de la source qui fournit le transfert. Le fluide, lui, voit sa température varier tout au long du cycle.

Méthode — la machine proposée est-elle possible ?. Trois tests, dans cet ordre : (i) le premier principe, W+Qc+Qf=0W+Q_c+Q_f=0 ; (ii) l’inégalité de Clausius ; (iii) conclusion — si Clausius est violée la machine est impossible, si l’égalité est atteinte elle est réversible, sinon elle est possible et irréversible, avec

Screˊeˊe=−(QcTc+QfTf)>0.S_{\text{créée}}=-\left(\frac{Q_c}{T_c}+\frac{Q_f}{T_f}\right)>0 .

3Le sens des échanges

Théorème — impossibilité du moteur monotherme. Pour une machine cyclique monotherme en contact avec un thermostat T0T_0, l’inégalité de Clausius se réduit à Q/T0⩽0Q/T_0\leq 0, donc Q⩽0Q\leq 0 et, par le premier principe, W=−Q⩾0W=-Q\geq 0 : une machine cyclique monotherme ne peut que recevoir du travail. Il est impossible de produire du travail en se contentant de refroidir l’océan ou l’atmosphère.

Propriété — les signes sont imposés. Soit une machine cyclique ditherme.

  • Si elle est motrice (W<0W<0 : elle fournit du travail), alors nécessairement Qc>0Q_c>0 et Qf<0Q_f<0 : le moteur prélève de la chaleur à la source chaude et en cède à la source froide.
  • Si elle est réceptrice (W>0W>0 : elle consomme du travail) et transfère effectivement de la chaleur du froid vers le chaud, alors Qf>0Q_f>0 et Qc<0Q_c<0.

Idée de la démonstration pour le moteur : si l’on avait Qc⩽0Q_c\leq 0, alors Qf=−W−Qc>0Q_f=-W-Q_c>0 et, puisque 1Tc<1Tf\frac{1}{T_c}<\frac{1}{T_f} et Qc⩽0Q_c\leq 0, QcTc+QfTf⩾Qc+QfTf=−WTf>0\frac{Q_c}{T_c}+\frac{Q_f}{T_f}\geq\frac{Q_c+Q_f}{T_f}=\frac{-W}{T_f}>0, ce qui contredit Clausius. Donc Qc>0Q_c>0, et Clausius donne alors Qf⩽−TfTc Qc<0Q_f\leq -\frac{T_f}{T_c}\,Q_c<0.

Figure 1 — Les deux sens de fonctionnement d’une machine ditherme : les flèches donnent le sens réel des transferts, les signes sont ceux des grandeurs reçues par le fluide. Réfrigérateur et pompe à chaleur sont la même machine : seule change l’énergie déclarée utile.

4Le moteur ditherme : rendement et théorème de Carnot

Définition. Le rendement d’un moteur ditherme est le rapport de l’énergie utile (le travail fourni, ∣W∣=−W\abs{W}=-W) à l’énergie coûteuse (la chaleur prélevée à la source chaude, Qc>0Q_c>0) :

 η=∣W∣Qc=−WQc 0<η<1.\boxed{\ \eta=\frac{\abs{W}}{Q_c}=\frac{-W}{Q_c}\ }\qquad 0<\eta<1 .

Théorème — théorème de Carnot. Le rendement d’un moteur cyclique ditherme fonctionnant entre les thermostats TcT_c et TfT_f vérifie

 η⩽ηC=1−TfTc \boxed{\ \eta\leq \eta_C=1-\frac{T_f}{T_c}\ }

avec égalité si et seulement si le moteur est réversible. Le rendement maximal ne dépend que des températures des thermostats : ni du fluide, ni de la forme du cycle, ni de la taille de la machine.

Démonstration (exigible) : le premier principe donne −W=Qc+Qf-W=Q_c+Q_f, donc

η=Qc+QfQc=1+QfQc.\eta=\frac{Q_c+Q_f}{Q_c}=1+\frac{Q_f}{Q_c}.

L’inégalité de Clausius QcTc+QfTf⩽0\dfrac{Q_c}{T_c}+\dfrac{Q_f}{T_f}\leq 0 s’écrit, puisque Qc>0Q_c>0 et Tf>0T_f>0, QfQc⩽−TfTc\dfrac{Q_f}{Q_c}\leq -\dfrac{T_f}{T_c}. En reportant : η⩽1−TfTc\eta\leq 1-\dfrac{T_f}{T_c}. L’égalité a lieu exactement quand Screˊeˊe=0S_{\text{créée}}=0.

Remarque. Le théorème de Carnot est une conséquence du deuxième principe : c’est lui, et non le premier, qui interdit η=1\eta=1. On retient aussi la forme équivalente η=ηC−Tf ScreˊeˊeQc\eta=\eta_C-\dfrac{T_f\,S_{\text{créée}}}{Q_c} : tout ce qui manque au rendement de Carnot est de l’entropie créée.

Exempleune centrale thermique

Vapeur à 560∘C{560{}^{\circ}\mathrm{C}} (Tc=833 KT_c={833\,\mathrm{K}}), condenseur refroidi par un fleuve à 25∘C{25{}^{\circ}\mathrm{C}} (Tf=298 KT_f={298\,\mathrm{K}}) : ηC=1−298/833=0,64\eta_C=1-298/833=0{,}64, pour un rendement réel voisin de 0,420{,}42, soit 65 %65\,\% de la borne de Carnot. Pour 600 MW{600\,\mathrm{MW}} électriques il faut extraire 600/0,42=1,43 GW600/0{,}42={1{,}43\,\mathrm{GW}} au foyer et évacuer 0,83 GW{0{,}83\,\mathrm{GW}} au fleuve.

5Réfrigérateur et pompe à chaleur : les efficacités

Définition. Pour un récepteur (W>0W>0, Qf>0Q_f>0, Qc<0Q_c<0), on définit deux grandeurs selon l’usage :

 efrigo=QfW (reˊfrigeˊrateur, climatiseur), ePAC=∣Qc∣W (pompe aˋ chaleur).\boxed{\ e_{\text{frigo}}=\frac{Q_f}{W}\ }\quad\text{(réfrigérateur, climatiseur)},\qquad \boxed{\ e_{\text{PAC}}=\frac{\abs{Q_c}}{W}\ }\quad\text{(pompe à chaleur).}

L’utile est le froid produit dans le premier cas, la chaleur fournie dans le second. On parle d’efficacité (ou de coefficient de performance, COP), jamais de rendement.

Théorème — théorème de Carnot pour les récepteurs. En reprenant la démonstration avec W>0W>0 :

 efrigo⩽TfTc−Tf et ePAC⩽TcTc−Tf \boxed{\ e_{\text{frigo}}\leq \frac{T_f}{T_c-T_f}\ }\qquad\text{et}\qquad\boxed{\ e_{\text{PAC}}\leq\frac{T_c}{T_c-T_f}\ }

avec égalité si et seulement si la machine est réversible.

Idée de la démonstration : W=−Qc−QfW=-Q_c-Q_f ; Clausius s’écrit −Qc⩾TcTfQf-Q_c\geq\frac{T_c}{T_f}Q_f, d’où W⩾Qf Tc−TfTfW\geq Q_f\,\frac{T_c-T_f}{T_f} et le premier résultat. Pour la pompe à chaleur, Clausius donne Qf⩽−TfTcQcQ_f\leq-\frac{T_f}{T_c}Q_c, donc W⩾∣Qc∣(1−TfTc)W\geq\abs{Q_c}\left(1-\frac{T_f}{T_c}\right).

Propriété — une identité à connaître. Pour une même machine, ∣Qc∣=W+Qf\abs{Q_c}=W+Q_f, donc

 ePAC=efrigo+1 \boxed{\ e_{\text{PAC}}=e_{\text{frigo}}+1\ }

Les deux bornes de Carnot vérifient bien TcTc−Tf=TfTc−Tf+1\dfrac{T_c}{T_c-T_f}=\dfrac{T_f}{T_c-T_f}+1.

Attentionune efficacité supérieure à 1 n’est pas un rendement supérieur à 1

ePAC=4e_{\text{PAC}}=4 signifie qu’un joule de travail électrique permet de délivrer quatre joules de chaleur au logement : les trois autres ont été pompés à l’extérieur, ils ne sont pas créés. Le bilan énergétique ∣Qc∣=W+Qf\abs{Q_c}=W+Q_f est strictement respecté. C’est au contraire un rendement η>1\eta>1 pour un moteur qui serait absurde, car l’utile y est une partie du coûteux.

Exempletrois ordres de grandeur

Réfrigérateur (Tf=278 KT_f={278\,\mathrm{K}}, Tc=293 KT_c={293\,\mathrm{K}}) : emax=278/15=18,5e_{\text{max}}=278/15=18{,}5, réel 33 à 55. Congélateur (Tf=255 KT_f={255\,\mathrm{K}}, Tc=295 KT_c={295\,\mathrm{K}}) : emax=255/40=6,4e_{\text{max}}=255/40=6{,}4, réel 1,51{,}5 à 2,52{,}5. Pompe à chaleur air/eau (Tf=280 KT_f={280\,\mathrm{K}}, Tc=318 KT_c={318\,\mathrm{K}}) : emax=318/38=8,4e_{\text{max}}=318/38=8{,}4, réel 33 à 44. Les machines réelles n’atteignent que 1515 à 40 %40\,\% de la borne de Carnot : l’écart est bien plus grand que pour les moteurs, car les écarts de température entre le fluide et les sources y sont relativement énormes.

6Le cycle de Carnot et sa lecture dans le diagramme de Clapeyron

Définition. Le cycle de Carnot est le cycle réversible ditherme : il est constitué de deux isothermes réversibles (aux températures TcT_c et TfT_f, pendant lesquelles le fluide échange avec les thermostats) et de deux adiabatiques réversibles, donc isentropiques (pendant lesquelles il passe d’une température à l’autre sans échanger de chaleur).

Remarque. Cette structure est imposée : un transfert thermique réversible exige l’égalité des températures du fluide et du thermostat, donc une transformation isotherme ; et pour passer de TfT_f à TcT_c sans contact avec un troisième thermostat, il faut une adiabatique. C’est pourquoi tous les cycles réversibles dithermes sont des cycles de Carnot.

Théorème — cycle de Carnot d’un gaz parfait. Pour nn moles de gaz parfait décrivant A→BA\to B (isotherme TcT_c), B→CB\to C (isentropique), C→DC\to D (isotherme TfT_f), D→AD\to A (isentropique), la loi de Laplace sous la forme TVγ−1=cteTV^{\gamma-1}=\text{cte} impose VCVD=VBVA\dfrac{V_C}{V_D}=\dfrac{V_B}{V_A}. Avec ΔU=0\Delta U=0 sur une isotherme de gaz parfait,

Qc=nRTcln⁡VBVA>0,Qf=−nRTfln⁡VBVA<0,η=−WQc=1+QfQc=1−TfTc.Q_c=nRT_c\ln\frac{V_B}{V_A}>0,\qquad Q_f=-nRT_f\ln\frac{V_B}{V_A}<0,\qquad \eta=\frac{-W}{Q_c}=1+\frac{Q_f}{Q_c}=1-\frac{T_f}{T_c}.

On retrouve le rendement de Carnot, indépendamment de nn, de γ\gamma et du rapport de compression.

Propriété — lecture d’un cycle dans le diagramme de Clapeyron. Le travail des forces de pression reçu par le fluide au cours d’un cycle quasi statique et mécaniquement réversible vaut W=−∮P  ⁣dVW=-\displaystyle\oint P\,\dd V. Donc, dans le plan (V,P)(V,P) :

  • ∣W∣\abs{W} est l’aire du cycle ;
  • cycle parcouru dans le sens horaire ⇒∮P  ⁣dV>0⇒W<0\Rightarrow \oint P\,\dd V>0 \Rightarrow W<0 : la machine est motrice ;
  • cycle parcouru dans le sens antihoraire ⇒W>0\Rightarrow W>0 : la machine est réceptrice.

Figure 2 — Cycle de Carnot moteur dans le diagramme de Clapeyron (schéma de principe, échelles non linéaires). Les isothermes (PV=ctePV=\text{cte}) sont moins pentues que les isentropiques (PVγ=ctePV^\gamma=\text{cte}, γ>1\gamma>1). Parcouru dans l’autre sens, le même cycle décrit un réfrigérateur ou une pompe à chaleur.

Attentionpourquoi le cycle de Carnot n’est pas utilisé en pratique

Entre 600 K{600\,\mathrm{K}} et 300 K{300\,\mathrm{K}} avec γ=1,40\gamma=1{,}40 et un rapport de compression isotherme de 33, le cycle exige un rapport de volumes total VC/VA=17V_C/V_A=17 : machine énorme, aire du cycle — donc puissance — dérisoire. Les machines réelles sacrifient du rendement pour gagner de la puissance. En revanche, dans le domaine diphasé l’isotherme est aussi une isobare : un cycle à changement d’état (centrale à vapeur, machine à compression de vapeur) réalise naturellement les deux isothermes de Carnot.

7Modéliser un dispositif concret

Méthode — analyser une machine réelle. (i) identifier le fluide qui décrit le cycle ; (ii) identifier les deux thermostats et leurs températures en kelvins ; (iii) déterminer le sens (moteur ou récepteur) et donc les signes ; (iv) nommer l’énergie utile et l’énergie coûteuse, écrire le rendement ou l’efficacité ; (v) appliquer les deux principes sur un cycle ; (vi) comparer à la borne de Carnot et commenter l’écart.

DispositifFluideSourcesPerformance réelle
Centrale à flamme (cycle de Rankine)eaufoyer 560∘C{560{}^{\circ}\mathrm{C}} / fleuve 20∘C{20{}^{\circ}\mathrm{C}}η=0,35\eta=0{,}35 à 0,450{,}45
Centrale nucléaire (REP)eauvapeur 280∘C{280{}^{\circ}\mathrm{C}} / fleuve ou airη≈0,33\eta\approx 0{,}33
Moteur à essence / Dieselair + carburantgaz brûlés / atmosphèreη≈0,30\eta\approx 0{,}30 / 0,400{,}40
Réfrigérateur, climatiseurfluide frigorigènelocal / air extérieurefrigo=2e_{\text{frigo}}=2 à 55
Pompe à chaleurfluide frigorigèneair ou sol / plancher chauffantePAC=3e_{\text{PAC}}=3 à 44

8La cogénération

Définition. La cogénération consiste à produire simultanément, à partir d’un même combustible, de l’électricité (ou du travail mécanique) et de la chaleur effectivement utilisée. Son rendement global est

 ηglob=∣W∣+QutileQc \boxed{\ \eta_{\text{glob}}=\frac{\abs{W}+Q_{\text{utile}}}{Q_c}\ }

où Qutile=∣Qf∣Q_{\text{utile}}=\abs{Q_f} est la part du transfert thermique rejeté qui est valorisée (chauffage urbain, eau chaude sanitaire, procédé industriel).

Propriété — le principe. Dans une centrale classique, le transfert ∣Qf∣\abs{Q_f}, inévitable d’après le deuxième principe, est perdu dans un fleuve ou dans l’air : 5555 à 65 %65\,\% du combustible. La cogénération ne supprime pas ce rejet — c’est impossible — elle le rend utilisable en élevant TfT_f jusqu’à une température exploitable (60∘C{60{}^{\circ}\mathrm{C}} à 90∘C{90{}^{\circ}\mathrm{C}}) ; le rendement global atteint alors 0,800{,}80 à 0,900{,}90.

Attentionle compromis de la cogénération

Élever TfT_f diminue ηC=1−Tf/Tc\eta_C=1-T_f/T_c, donc le rendement électrique : on échange du travail contre de la chaleur utile. La cogénération n’est donc pas une violation du théorème de Carnot, c’est un arbitrage. Elle n’est intéressante que s’il existe un besoin de chaleur simultané au besoin d’électricité : une unité de cogénération dont la chaleur n’est pas consommée est moins performante qu’une centrale classique.

Exempleéconomie d’énergie primaire

Un module de cogénération au gaz consomme 250 kW{250\,\mathrm{kW}} (pouvoir calorifique) et délivre 90 kW{90\,\mathrm{kW}} électriques et 125 kW{125\,\mathrm{kW}} thermiques utiles : ηglob=(90+125)/250=0,86\eta_{\text{glob}}=(90+125)/250=0{,}86. Produire séparément les mêmes services exigerait 90/0,45=200 kW90/0{,}45={200\,\mathrm{kW}} (centrale de rendement 0,450{,}45) et 125/0,92=136 kW125/0{,}92={136\,\mathrm{kW}} (chaudière de rendement 0,920{,}92), soit 336 kW{336\,\mathrm{kW}} : la cogénération économise 26 %26\,\% d’énergie primaire.

9Démonstrations et résultats à savoir refaire

  • Inégalité de Clausius à partir de ΔU=0\Delta U=0, ΔS=0\Delta S=0 et du deuxième principe ; impossibilité du moteur monotherme.
  • Sens imposé des échanges pour un moteur : raisonnement par l’absurde à partir de Clausius.
  • Théorème de Carnot pour le moteur, le réfrigérateur et la pompe à chaleur ; ePAC=efrigo+1e_{\text{PAC}}=e_{\text{frigo}}+1.
  • Cycle de Carnot d’un gaz parfait : les quatre étapes, VC/VD=VB/VAV_C/V_D=V_B/V_A par la loi de Laplace, QcQ_c, QfQ_f, η=1−Tf/Tc\eta=1-T_f/T_c.
  • ∣W∣=\abs{W}= aire du cycle dans le diagramme de Clapeyron, et lien sens de parcours / nature de la machine ; η=ηC−TfScreˊeˊe/Qc\eta=\eta_C-T_f S_{\text{créée}}/Q_c.
Savoir-faire
  • Donner le sens des échanges énergétiques pour un moteur ou un récepteur ditherme, et les justifier.
  • Analyser un dispositif concret et le modéliser par une machine cyclique ditherme (fluide, deux thermostats, utile, coûteux).
  • Définir un rendement ou une efficacité, le relier aux énergies échangées sur un cycle, justifier et utiliser le théorème de Carnot ; décider si une machine annoncée est possible, réversible ou impossible.
  • Calculer l’entropie créée par cycle et l’attribuer à des causes physiques d’irréversibilité.
  • Exploiter un cycle tracé dans le diagramme de Clapeyron : sens de parcours, aire, travail, transferts.
  • Citer des ordres de grandeur des rendements et efficacités des machines réelles actuelles.
  • Expliquer le principe de la cogénération et calculer une économie d’énergie primaire.
FormulaireLes relations à connaître par cœur
  • Sur un cycle : ΔU=0\Delta U=0 donc W+Qc+Qf=0W+Q_c+Q_f=0 ; ΔS=0\Delta S=0 donc QcTc+QfTf+Screˊeˊe=0\dfrac{Q_c}{T_c}+\dfrac{Q_f}{T_f}+S_{\text{créée}}=0.
  • Clausius : QcTc+QfTf⩽0\dfrac{Q_c}{T_c}+\dfrac{Q_f}{T_f}\leq 0, égalité ssi réversible ; Screˊeˊe=−(QcTc+QfTf)S_{\text{créée}}=-\left(\dfrac{Q_c}{T_c}+\dfrac{Q_f}{T_f}\right).
  • Moteur : η=∣W∣Qc⩽1−TfTc\eta=\dfrac{\abs{W}}{Q_c}\leq 1-\dfrac{T_f}{T_c} ; froid : efrigo=QfW⩽TfTc−Tfe_{\text{frigo}}=\dfrac{Q_f}{W}\leq\dfrac{T_f}{T_c-T_f} ; chaud : ePAC=∣Qc∣W⩽TcTc−Tfe_{\text{PAC}}=\dfrac{\abs{Q_c}}{W}\leq\dfrac{T_c}{T_c-T_f}.
  • ePAC=efrigo+1e_{\text{PAC}}=e_{\text{frigo}}+1 ; cogénération : ηglob=∣W∣+QutileQc\eta_{\text{glob}}=\dfrac{\abs{W}+Q_{\text{utile}}}{Q_c}.
  • Clapeyron : W=−∮P  ⁣dVW=-\displaystyle\oint P\,\dd V, ∣W∣=\abs{W}= aire ; horaire ⇒\Rightarrow moteur, antihoraire ⇒\Rightarrow récepteur.
  • Carnot d’un gaz parfait : Qc=nRTcln⁡VBVAQ_c=nRT_c\ln\dfrac{V_B}{V_A}, Qf=−nRTfln⁡VBVAQ_f=-nRT_f\ln\dfrac{V_B}{V_A}, VCVD=VBVA\dfrac{V_C}{V_D}=\dfrac{V_B}{V_A}.
  • Repères : centrale à flamme η≈0,40\eta\approx 0{,}40 (ηC≈0,64\eta_C\approx 0{,}64) ; essence 0,300{,}30 ; Diesel 0,400{,}40 ; réfrigérateur e≈3e\approx 3 ; PAC e≈3,5e\approx 3{,}5 ; cogénération ηglob≈0,85\eta_{\text{glob}}\approx 0{,}85 ; P=f W\mathcal{P}=f\,W ; 1 kW⋅h=3,6 MJ{1\,\mathrm{kW}{\cdot}\mathrm{h}}={3{,}6\,\mathrm{MJ}}.
Pièges
  • Oublier que sur un cycle ΔU=0\Delta U=0 et ΔS=0\Delta S=0 : ce sont les deux équations de départ de tout exercice du chapitre.
  • Se tromper de signe : un moteur reçoit Qc>0Q_c>0 et cède Qf<0Q_f<0 ; en compression, le travail reçu est positif.
  • Écrire Seˊch=Qc/TfluideS_{\text{éch}}=Q_c/T_{\text{fluide}} : l’entropie échangée se calcule avec la température du thermostat ; utiliser des degrés Celsius dans 1−Tf/Tc1-T_f/T_c (les températures sont en kelvins, sans exception).
  • S’étonner qu’une efficacité dépasse 11, ou parler de « rendement » d’une pompe à chaleur ; confondre efrigo=Qf/We_{\text{frigo}}=Q_f/W et ePAC=∣Qc∣/We_{\text{PAC}}=\abs{Q_c}/W, qui diffèrent exactement de 11.
  • Appliquer le théorème de Carnot à une machine qui n’est pas ditherme, ou qui n’est pas cyclique ; croire qu’un moteur monotherme est possible.
  • Confondre énergie par cycle (en joules) et puissance (en watts) : il manque le facteur ff, nombre de cycles par seconde.
  • Croire que la cogénération supprime le rejet thermique : elle le valorise, au prix d’un rendement électrique plus faible.
  • Inverser le sens de parcours dans le diagramme de Clapeyron (horaire ⇒\Rightarrow moteur), ou annoncer un rendement sans vérifier η⩽ηC\eta\leq\eta_C.

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

1

Exercices de base

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Les bases : bilans sur un cycle, inégalité de Clausius, rendement et efficacités, machines réelles

12 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 h 30calculatrice autorisée

  1. Vocabulaire et sens des échangesDifficulté 1 sur 3
  2. Bilan énergétique et entropique d’un cycleDifficulté 1 sur 3
  3. Le rendement maximal dépend des sources, et d’elles seulesDifficulté 1 sur 3
  4. Une centrale thermique à flammeDifficulté 1 sur 3
  5. Le réfrigérateur domestiqueDifficulté 1 sur 3
  6. Une pompe à chaleur pour une maisonDifficulté 1 sur 3
  7. Trois machines : laquelle est impossible ?Difficulté 2 sur 3
  8. Un climatiseurDifficulté 2 sur 3
  9. L’entropie créée dans un moteur réelDifficulté 2 sur 3
  10. Lecture d’un cycle dans le diagramme de ClapeyronDifficulté 2 sur 3
  11. Le moteur d’une automobileDifficulté 2 sur 3
  12. La cogénérationDifficulté 1 sur 3
2

Exercices d'application

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Applications : cycle de Carnot, centrale nucléaire, pompes à chaleur, irréversibilités, cogénération, moteur de Stirling

10 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 3 h 30calculatrice autorisée

  1. Le cycle de Carnot d’un gaz parfaitDifficulté 2 sur 3
  2. Une centrale nucléaire à eau pressuriséeDifficulté 2 sur 3
  3. Une pompe à chaleur au fil des saisonsDifficulté 2 sur 3
  4. Un réfrigérateur réel : où se cache l’irréversibilité ?Difficulté 2 sur 3
  5. Un chauffe-eau thermodynamiqueDifficulté 2 sur 3
  6. Climatisation réversible : la même machine été et hiverDifficulté 2 sur 3
  7. Fabriquer de la glaceDifficulté 2 sur 3
  8. Une unité de cogénération au gaz naturelDifficulté 2 sur 3
  9. Le moteur de Stirling et son régénérateurDifficulté 2 sur 3
  10. Un moteur qui entraîne un réfrigérateurDifficulté 2 sur 3
3

Interrogation A

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Bilans sur un cycle, théorème de Carnot, moteur et pompe à chaleur

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Une centrale à biomasse7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Une pompe à chaleur géothermique7 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Interrogation B

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Récepteurs dithermes, cycle de Carnot d’un gaz parfait, bilans entropiques

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Le cycle de Carnot d’un gaz parfait7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Le congélateur d’une cantine7 ptsDifficulté 2 sur 3
5

Approfondissement

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Universalité du rendement réversible, sources de capacité finie, cycles industriels, puissance maximale, machine tritherme

7 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 3 h 30calculatrice autorisée

  1. Le théorème de Carnot et l’universalité du rendement réversibleDifficulté 3 sur 3
  2. Une machine de Carnot entre deux corps de capacité thermique finieDifficulté 3 sur 3
  3. Un cycle de Carnot à changement d’étatDifficulté 3 sur 3
  4. Le cycle de Beau de Rochas (hors programme)Difficulté 3 sur 3
  5. Le rendement à puissance maximale (hors programme)Difficulté 3 sur 3
  6. Le réfrigérateur à absorption (hors programme)Difficulté 3 sur 3
  7. Chauffer une maison (problème ouvert)Difficulté 3 sur 3
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DS type concours

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La machine à compression de vapeur : du réfrigérateur à la pompe à chaleur

Durée : 3 h 30calculatrice autorisée3 parties26 questionsbarème indicatif sur 20

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Planche de colle

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Une question de cours et quatre exercices d’oral

1 question de cours4 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 3 sur 3environ 20 min{20\,\mathrm{min}} par exercice

  1. Question de coursDifficulté 1 sur 3
  2. Un réfrigérateur domestiqueDifficulté 1 sur 3
  3. Une centrale thermique et sa rivièreDifficulté 2 sur 3
  4. Le cycle de Carnot d’un gaz parfaitDifficulté 2 sur 3
  5. Congeler un kilogramme d’eau au moindre coûtDifficulté 3 sur 3

Prépa · Physique-chimie : les 26 chapitres

  1. Mesures et incertitudes
  2. Optique géométrique
  3. Circuits dans l’ARQS
  4. Circuits du premier ordre
  5. Oscillateurs libres et forcés
  6. Filtrage linéaire
  7. Propagation et interférences
  8. Cinématique du point
  9. Lois de Newton
  10. Énergétique du point
  11. Particules chargées
  12. Transformations de la matière
  13. Cinétique chimique
  14. Structure des entités chimiques
  15. Moment cinétique et forces centrales
  16. Mouvement d’un solide
  17. Système thermodynamique
  18. Premier principe
  19. Deuxième principe
  20. Machines thermiques
  21. Champ magnétique et forces de Laplace
  22. Induction
  23. Physique quantique
  24. Solides cristallins
  25. Acide-base et précipitation
  26. Oxydo-réduction et diagrammes E-pH