Physique thermique

Machines thermiques, rendement et cycle de Carnot

Étudiez le rendement idéal d'une machine thermique entre une source chaude Th et une source froide Tc. Lisez ηCarnot, le travail maximal Wmax et la chaleur rejetée Qc ; vérifiez $\eta = 1 - T_c/T_h$ et $W = \eta Q_h$ .

Licence

⚠ Pour des expériences réelles avec vapeur chaude, gaz chauffé ou récipients sous pression, portez des protections, n'ouvrez jamais un récipient pressurisé et gardez vos distances avec les sources de chaleur.

Matériel

Canvas affichant le cycle fermé dans le plan p–V et le schéma des flux de chaleur
Curseur « Nguồn nóng Th » (source chaude), 350–900 K
Curseur « Nguồn lạnh Tc » (source froide), 180–340 K
Curseur « Nhiệt nhận Qh » (chaleur absorbée), 100–1000 J
Affichage « ηCarnot = …; Wmax = ηQh = …; Qc = Qh − W = … »

Protocole

Mesurer le rendement selon la source chaude
Gardez « Nguồn lạnh Tc » à 300 K, augmentez « Nguồn nóng Th » de 350 à 900 K et notez « ηCarnot » à chaque palier. Calculez $1 - T_c/T_h$ pour chaque couple et comparez à l'affichage ; observez le rendement tendre vers 100 % sans jamais l'atteindre.
Faire varier la source froide et la chaleur absorbée
Avec Th = 600 K, déplacez « Nguồn lạnh Tc » de 180 à 340 K : le rendement chute quand les sources se rapprochent. Puis fixez Th et Tc, changez « Nhiệt nhận Qh » et vérifiez que η ne bouge pas — seuls « Wmax = ηQh » et « Qc = Qh − W » varient avec Qh. Cela montre que $\eta$ ne dépend que des températures, pas de la taille du cycle.
Lire le cycle sur le diagramme p–V
Observez la boucle fermée colorée sur le canvas : la flèche « chiều chu trình » indique le sens direct (horaire) du moteur, et l'aire intérieure est proportionnelle au travail net W. Glissez la figure pour changer de point de vue. Reliez l'affichage Wmax à l'aire : $W = \oint p\,dV$ est positif pour un cycle horaire.
La limite du deuxième principe
Approchez Tc de Th : le rendement tombe vers 0 — impossible d'extraire du travail entre sources à même température. À l'inverse, réglez Th = 900 K et Tc = 180 K (limites des curseurs) : η ≈ 80 %, toujours sous 100 %. Prédisez que η → 1 exigerait Tc → 0 K, inatteignable — c'est exactement la borne du deuxième principe.

Simulation

Histoire de l’expérience

En 1824, Sadi Carnot publia Réflexions sur la puissance motrice du feu, analysant un cycle réversible idéal de deux isothermes et deux adiabatiques. Il montra que le rendement de toute machine thermique entre deux sources est borné par une limite ne dépendant que des températures des sources, indépendamment du fluide — résultat remarquable alors que la théorie calorique de la chaleur restait confuse. Rudolf Clausius reformula ce résultat dans les années 1850 sur la base de l'équivalence chaleur-travail et introduisit l'entropie ; William Thomson (Lord Kelvin) proposa l'échelle de température absolue en 1848, justement pour écrire η = 1 − Tc/Th. L'énoncé moderne du deuxième principe — aucune machine ne peut surpasser le cycle de Carnot — acheva la logique ouverte par Carnot avant même l'établissement complet du premier principe.

Physiciens associés

Rudolf Clausius William Thomson (Lord Kelvin)Sadi Carnot

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