Machines dithermes : diagramme de Raveau

L'animation représente les différents types de machines thermiques dithermes simples, dans lesquelles un "fluide thermodynamique" est en interaction avec une "source chaude", une "source froide", et le monde extérieur ("environnement").

Les transferts thermiques au cours d'un cycle sont notés Qc (entre la source chaude et le fluide), Qf (entre la source froide et le fluide.

Le transfert mécanique est noté "W" (entre l'environnement et le fluide).

Notons que par convention, ces transferts sont orientés vers le fluide, et prennent donc des valeurs algébriques : positifs s'ils ont lieu réellement vers le fluide, et négatifs s'ils ont lieu réellement à partir du fluide.

Ainsi, pour un moteur, le transfert W est toujours globalement négatif, car c'est le fluide thermodynamique qui fournit le travail (il en fournit davantage qu'il n'en reçoit). En revanche, pour un réfrigérateur ou une pompe à chaleur, le transfert W est positif, car c'est un dispositif extérieur (compresseur,...) qui fournit globalement le travail, et ainsi le fluide le reçoit.

De même, pour un moteur thermique, la source chaude (combustion d'un carburant, capteur solaire,...) fournit de la chaleur au fluide, qui la reçoit : la quantité Qc est positive ; la source froide (atmosphère, liquide de refroidissement,...) reçoit de la chaleur en provenance du fluide : la quantité Qf est négative.

Le principe d'un pompe à chaleur (ou d'un réfrigérateur) est d'inverser le sens naturel des transferts thermiques , et de "prendre la chaleur où il fait froid" (dans les aliments pour un réfrigérateur, dans l'air extérieur pour une pompe à chaleur), pour la "transférer où il fait chaud" (dans la cuisine pour un réfrigérateur, dans la maison pour une pompe à chaleur.

Notons qu'un couplage très intéressant est le couplage piscine-patinoire, où la source chaude de l'une sert de source froide pour l'autre.

Pour chaque cas est défini un rendement, ou une efficacité, ainsi qu'indiqué sur la figure.

Le diagramme de Raveau est le graphe représentant en ordonnées la quantité algébrique Qc et en abscisses la quantité algébrique Qf. On retrouve ainsi toutes les zones énumérées ci-dessus.

D'après le Premier Principe de la Thermodynamique on a la relation W+Qc+Qf=0. la droite Qc+Qf=0 représente donc W=0. Elle partage le plan en deux zones : Qc+Qf>0, donc W<0 à droite et au-dessus : c'est là que l'on peut trouver les moteurs, et Qc+Qf<0 donc W>0 à gauche et en-dessous : c'est là que l'on peut trouver les réfrigérateurs et pompes à chaleur.

D'après le Second Principe de la Thermodynamique on a la relation Qc/Tc+Qf/Tf≤0. La droite d'équation Qc/Tc+Qf/Tf=0 représente donc les cycles réversibles. Elle partage le plan en deux zones : les cycles possibles à gauche et en-dessous, et la zone interdite, colorée en gris, à droite et au-dessus.

Pour le choix "Moteur", la seule zone possible est colorée en vert : elle impose les conditions sur les transferts Qc et Qf.

Pour le choix "Pompe à chaleur", la seule zone possible est colorée en bleu.