Le calculateur de rendement de Carnot détermine la limite théorique du rendement d’un moteur thermique à partir des températures de ses réservoirs chaud et froid. C’est la référence à laquelle les ingénieurs comparent les moteurs réels : une turbine, un moteur de voiture ou une centrale ne peut que s’en approcher, jamais la dépasser.
Fonctionnement du calculateur de rendement de Carnot
Le calculateur applique η = 1 − Tc/Th, formule que l’ingénieur français Sadi Carnot a établie en 1824 pour un moteur thermique idéal entièrement réversible. Th et Tc sont les températures absolues en kelvins : la source chaude dont le moteur reçoit la chaleur et le puits froid auquel il la rejette. η représente la fraction maximale de chaleur qu’un moteur, réel ou idéal, peut convertir en travail utile entre ces températures.
Cette limite découle du deuxième principe de la thermodynamique et non d’une contrainte d’ingénierie : même un moteur parfaitement sans frottement et sans pertes ne peut transformer toute la chaleur reçue en travail, car une partie doit passer au réservoir froid pour que le cycle se poursuive. Pour une chaleur reçue Qin, le calculateur la multiplie par η afin d’obtenir le travail maximal, le reste étant rejeté sous forme de chaleur.
Champs et signification
Th (réservoir chaud) et Tc (réservoir froid) doivent être saisis en kelvins. Une valeur en degrés Celsius ou Fahrenheit donnerait un rapport sans signification, car ces échelles ne partent pas du zéro absolu. À titre indicatif, un moteur de voiture peut fonctionner avec Th autour de 800–1,200 K et une température ambiante Tc proche de 300 K ; une chaudière de centrale au charbon peut atteindre 800–900 K, avec un condenseur autour de 300–320 K. C’est l’écart entre Th et Tc, et non chacune de ces températures prise isolément, qui détermine le rendement : un faible ΔT limite fortement le rendement, même si les deux températures sont élevées.
Qin (chaleur reçue, en joules) est facultatif ; il n’est nécessaire que pour calculer le travail produit dans l’onglet Travail produit. Conservez la valeur par défaut ou saisissez-en une autre : cela ne modifie pas le pourcentage de rendement.
Limites et cas particuliers
Ce calculateur détermine le rendement idéal et réversible de Carnot, qui constitue toujours une limite supérieure et non un objectif atteignable. Les moteurs réels perdent encore du rendement à cause des frottements, des turbulences, d’une combustion incomplète et des fuites de chaleur ; leur rendement thermique réel (W/Qin, mesuré directement) reste donc inférieur à la valeur de Carnot affichée. Si Th n’est pas supérieur à Tc, le calcul est non physique et le calculateur signale les valeurs au lieu d’afficher un rendement négatif ou dénué de sens. Lorsque Tc tend vers le zéro absolu (0 K), le rendement de Carnot tend vers 100 %, mais le zéro absolu est inaccessible en pratique selon le troisième principe de la thermodynamique. Un rendement de 100 % ne peut donc jamais être atteint.