2. Plan
Chapitre I Introduction
Chapitre II Machines thermiques et leur efficacité énergétique
Chapitre III Exemples d’efficacités énergétiques de conversion
Chapitre IV Conclusion
3. 1. INTRODUCTION
1) Définitions:
- l'efficacité énergétique (ou efficacité
thermodynamique) est un nombre
sans dimension, qui est le rapport entre
ce qui peut être récupéré utilement de la
machine sur ce qui a été dépensé pour la
faire fonctionner
4. Cette notion est souvent confondue avec une définition
du rendement thermodynamique, pour des systèmes dont
l'efficacité énergétique théorique maximale est inférieure à un,
comme les moteurs dithermes ou les moteurs électriques.
Toutefois, il est déconseillé d'utiliser le terme de rendement à la
place de l'expression efficacité énergétique pour des
machines dont l'efficacité énergétique théorique maximale est
supérieure à un, comme les systèmes disposant d'un cycle
récepteur de la chaleur ambiante, telle une pompe à chaleur.
En économie, le terme d’efficacité énergétique est utilisé de
manière synonyme de l’efficience énergétique, qui consiste à
réduire les consommations d’énergie, à service rendu égal.
5. 2) Rappels:
Premier principe de la thermodynamique:
On appelle énergie interne, U, une grandeur extensive définie
comme la somme de toutes les énergies échangées entre le
système et le milieu extérieur. Ces énergies sont de deux types :
les travaux des forces (W) qui s’exercent sur le système,
les quantités de chaleur (Q) qui s’échangent.
Le premier principe postule que la variation d’énergie interne ΔU
d’un système ne dépend que de l’état initial et de l’état final du
système.
ΔU = Ufinal - Uinitial est indépendant des transformations qui
amènent le système de l’état initial à l’état final. Si des travaux
W et des quantités de chaleur Q amènent le système de l’état
initial à l’état final : ΔU = W + Q.
6. Second principe de la thermodynamique:
« L’entropie d’un système isolé ne peut faire que croître ou rester
stationnaire » :
dS 0
« L’entropie de l’univers ne peut que croître ou rester stationnaire-
- La fonction S (entropie) est une fonction d’état, sa différentielle est une
différentielle totale exacte.
-La fonction S (entropie) est une fonction additive, variable extensive
- Dans une transformation élémentaire quelconque :
dS = deS + diS
deS représente la variation d’entropie résultant d’apport extérieur,
diS représente l’entropie produite à l’intérieur du système du fait des
phénomènes irréversibles qui s’y déroulent.
diS 0
7. Les machines thermiques:
Une machine thermique ditherme n’échange de l’énergie par
transfert thermique qu’avec deux sources de chaleur. La
machine constitue le système (Σ).
Le système échange :
– le travail W du milieu extérieur ;
– la quantité de chaleur 𝑸 𝑭 d’une source froide à la
température 𝑻 𝑭;
– la quantité de chaleur 𝑸 𝑪 d’une source chaude à la
température 𝑻 𝑪;
Ces grandeurs sont positives si elles sont effectivement reçues
par le système. Elles sont négatives dans le cas contraire.
8. 2. Machines thermiques et leur
efficacité énergétique
1) Classification des machines thermiques
La différence entre la chaleur reçue de la source chaude 𝑇𝑐
et la chaleur fournie à la source froide 𝑇𝑓 est convertie en
travail pour faire tourner le MOTEUR THERMIQUE
Le travail fourni inverse le sens naturel des échanges de
chaleur, il prélève de la chaleur à la source froide et
rejette de la chaleur à la source chaude.
• La fonction du RÉFRIGÉRATEUR est de refroidir la
source froide.
• La fonction de la POMPE À CHALEUR est de réchauffer
la source chaude
9. 2) Moteur thermique
Soit un moteur réversible qui est représenté par le
schéma suivant :
Source chaude: T1
Source froide: T2
Moteur
Q1 > 0
Q2 < 0
W < 0
Schéma du
moteur de
Carnot
La source froide est la source gratuite ( ambiance)
T1 > T2
10. Le rendement d’un moteur est défini par:
Effet utile
consomation
Cycle de Carnot moteur
1
cycleW
Q
1
cycleW
Q
11. 11
Pour un cycle on a :
DU = Wcycle + Q1 + Q2 = 0 Wcycle = - ( Q1 + Q2 )
1
cycleW
Q
1 2
1
Q Q
Q
2
1
1
Q
Q
0
B C D A
A B C D
dS dS dS dS
En appliquant le 2ème principe pour ce cycle réversible on a :
0
C A
B D
dS dS On a
1 2
0
B D B D
A C A C
Q Q
dS dS
T T
1 2
1 1
0
B D
A C
Q Q
T T
1 2
1
0
2
Q Q
T T
2 2
1 1
Q T
Q T
2
1
1
T
T
1 2
1
T T
T
12. 12
1 2
max
1
T T
T
< 1
C’est la limite théorique du rendement d’un moteur
fonctionnant entre deux sources de températures T1 et
T2.
Ceci montre bien le théorème de Carnot :
« Toutes les machines thermiques dithermes
réversibles fonctionnant entre deux températures
données T1 et T2 ont même rendement. »
13. Le but d’une machine frigorifique est d’extraire de la chaleur,
Q2, à une source de température, T2, inférieure à celles des
sources gratuites disponibles, T1.
M.F.
Q1 < 0
Q2 > 0
W > 0
Schéma de
la machine
frigorifique
de Carnot
La source chaude est la source gratuite (ambiance)
Source chaude: T1
Source froide: T2
T1 > T2
3) Machine Frigorifique
14. htg
L’éfficacité ou le coefficient de Performance est
défini par :
Cycle de Carnot
de la machine
frigorifique
2Q
COP
W
15. 15
2
1 1 1 2
2 2
1 1
1 1
T
COP
Q T T T
Q T
2
1 2
idéal
T
COP
T T
DUcycle = W + Q1 + Q2 = 0 W = - (Q1 + Q2 )
DScycle = 1 2
1 2
0
Q Q
T T
1 1
2 2
Q T
Q T
2 2
11 2
2
1
1
Q Q
COP
QW Q Q
Q
16. Le but d’une pompe à chaleur est de chauffer, on s’intéresse
à la chaleur Q1, fournie à la source chaude T1.
Source chaude: T1
Source froide: T2
P.A.C.
Q1 < 0
Q2 > 0
W > 0
Schéma d’une
pompe à chaleur
La source froide T2 est la source gratuite ( ambiance)
4) Pompe à Chaleur
T1 > T2
17. L’éfficacité ou le coefficient de Performance est défini par :
1
. . .P A C
Q
COP
W
1
. . .P A C
Q
COP
W
Cycle de Carnot
de la pompe à
chaleur
18. DScycle = 1 2
1 2
0
Q Q
T T
2 2
1 1
Q T
Q T
DUcycle = W + Q1 + Q2 = 0 W = - (Q1 + Q2 )
1
. . .
2 1 2
1
1
1
P A C
T
COP
T T T
T
1
. . .P A C
Q
COP
W
2 2
1 1
Q T
Q T
1
. . .
21 2
1
1
( ) 1
P A C
Q
COP
QQ Q
Q
1
. . . max
1 2
P A C Carnot
T
COP COP COP
T T
19. Processus de conversion Efficacité énergétique de conversion
Génération électrique
Turbine à gaz jusqu'à 40 %
Turbine à gaz plus Turbine à
vapeur (Cycle combiné)
jusqu'à 60 %
Turbine hydraulique jusqu'à 90 % (atteint en pratique)
Éolienne jusqu'à 59 % (limite théorique)
Cellule photovoltaïque
6 % à 40 % (selon la technologie, 15 % le
plus souvent, 85 % - 90 % limite
théorique)
Machine/Moteur
Moteur à combustion 10-50 %
Moteur électrique
30-60 % (petits < 10 W) ; 50-90 %
(entre 10 et 200 W) ; 70 - 99,99 %
(plus de 200 W)
3. Exemples d’efficacités énergétiques de conversion
20. Processus naturel
Photosynthèse jusqu’à 6 %
Muscle 14 % - 27 %
Appareils domestiques
Réfrigérateur domestique
bas de gamme ~ 20 % ; haut de
gamme ~ 40 - 50 %
Lampe à incandescence classique 0,7 - 5,1 %;5-10 %
Diode électroluminescente 4,2 - 14,9 %; jusqu’à 35 %
Tube fluorescent 8,0 - 15,6 %, 28 %
Lampe à vapeur de sodium 15,0 - 29,0 %8, 40,5 %
Lampe à incandescence halogène 9,5 - 17,0 %, 24 %
Alimentation à découpage
Actuellement jusqu’à 95 % en
pratique
Chauffe-eau 90-95 %
Radiateur électrique
100 % (toute l’énergie est convertie
en chaleur)
Pompe à chaleur
300 % à 500 % selon les
températures réelles, le maximum
théorique étant de l'ordre de
1500 %, le minimum théorique étant
supérieur à 100 %
