Exemple de moteur thermique (application du deuxième principe de la thermodynamique)

9 exemples de problèmes liés aux moteurs thermiques (application du deuxième principe de la thermodynamique)

1. Au cours d'un cycle, un moteur thermique absorbe 3 000 joules de chaleur d'une source chaude et rejette 1 000 joules de chaleur vers une source froide. Déterminez le rendement de ce moteur thermique.

Discussion
moteur thermique Le terme « Carnot » utilisé dans les questions de cette page ne désigne pas le moteur de Carnot. Le moteur de Carnot est un moteur thermique idéal et n'existe que théoriquement. En revanche, le moteur thermique mentionné dans cette question est un moteur thermique réel, et non un moteur thermique théorique (le moteur de Carnot).
Est connu :
Chaleur absorbée (Q)_H) = 3000 Joules
Chaleur dégagée (Q)_L) = 1000 Joules
Travail produit par la machine (W) = 3000 – 1000 = 2000 joules
Demandé : Rendement du moteur thermique (e)
Répondre :

2. Un moteur thermique produit 2 000 joules de travail et rejette 500 joules de chaleur par cycle. Son rendement est de…

Discussion
Est connu :
Travail produit par la machine (W) = 2000 joules
Chaleur dégagée (Q)_L) = 5000 Joules
Chaleur absorbée (Q)_H) = 2000 + 5000 = 7000 Joules
Demandé : Rendement du moteur thermique (e)
Répondre :

3. Un moteur de voiture a un rendement de 30 %. Si le moteur produit 10 000 joules de travail par cycle, quelle quantité de chaleur est rejetée par le moteur par cycle ?
Discussion
Est connu :
Efficacité (e) = 30 % = 30/100 = 0,3
Travail produit par la machine (W) = 3000 joules
Demandé La chaleur dissipée par le moteur à chaque cycle (Q)_L)
Répondre :
Calculer la chaleur absorbée (Q)_H) en utilisant la formule d'efficacité (e) d'un moteur thermique :
Chaleur dissipée par cycle (Q)_L) = chaleur absorbée (Q_H) – travail généré (W)
Q_L = 10.000 joules – 3000 joules
Q_L = 7000 joules

Rendement des moteurs thermiques, moteurs de Carnot

4. Un moteur thermique absorbe 3 000 joules de chaleur d’une source à haute température et rejette 2 400 joules vers une source à basse température. Le rendement du moteur est de …
A. 10%
B. 15%
C. 20%
D. 30%
E. 40%
Discussion :
Est connu :
Q_H = 3000 Joules, Q_L = 2400 Joules.
Demandé :
Rendement (e) d'un moteur thermique ?
Répondre :
La bonne réponse est C.

5. Un moteur de Carnot possède un réservoir haute température de 300 ^oRéservoir C et basse température 80 ^oC. L'efficacité de la machine est…
A. 38%
B. 45%
C. 50%
D. 58%
E. 67%
Discussion :
Est connu :
T_L = 80^oC = (80 + 273) K = 353 K
T_H = 300^oC = (300 + 273) K = 573 K
Si la température est connue en unités Celsius, elle doit être convertie en unités Kelvin (le kelvin est le système international d'unités de température).
Demandé :
Rendement (e) d'un moteur de Carnot ?
Répondre :

La bonne réponse est A.

6. La température élevée du réservoir du moteur de Carnot est de 600 K et son rendement est de 60 %. Pour atteindre un rendement de 70 %, la température élevée du réservoir du moteur de Carnot doit être…
A. 500 K
B. 800 K
C. 1000 K
D. 1200 K
E. 1500 K
Discussion :
Est connu :
Données 1 : T_H = 600 K, e = 60 %
Données 2 : T_H = …. K ?, e = 70 %
Demandé :
Température élevée (T_H)
Répondre :
Utilisez les données 1 pour calculer la température basse (T_L).
Utilisez T_L et les données 2 pour calculer la température élevée (T_H):
Pour atteindre une efficacité de 70 %, la température élevée = 800 Kelvin.
La bonne réponse est B.

7. Observez le graphique PV du moteur de Carnot ci-dessous. Si W = 5000 joules, alors la quantité de chaleur dégagée par le moteur par cycle est de…
A. 2.315 Joules
B. 3.475 Joules
C. 3.750 Joules
D. 5.000 Joules
E. 5.600 Joules

Discussion :
Est connu :
W = 5000 joules
T_H = 780 XNUMX
T_L = 320 XNUMX
Demandé :
Q₂ ?
Répondre :
Rendement du moteur de Carnot :
e = 1 – (T_L/T_H) = 1 – (320/780) = 1 – 0,41 = 0,59
Seulement 59 % de la chaleur est utilisée pour effectuer un travail. Utilisez ces données pour calculer la chaleur absorbée par le moteur de Carnot (Q).₁).
(0,59)(Q)₁) = 5000 Joules
Q₁ = 5000 Joules/0,59 = 8475 Joules
La quantité de chaleur absorbée par le moteur est de 8475 joules.
Quantité de chaleur dégagée par le moteur par cycle :
W = Q₁ - Q₂
5000 joules = 8475 joules – Q₂
Q₂ = 8475 joules – 5000 joules
Q₂ = 3475 joules
La bonne réponse est B.

8. Observez le diagramme PV du moteur de Carnot ci-dessous ! Si la chaleur absorbée (Q)₁) = 8000 Joules, alors le travail effectué par le moteur de Carnot est…
A. 1640 J
B. 4720 J
C. 5640 J
D. 6270 J
E. 8840 J

Discussion :
Est connu :
Q₁ = 8000 XNUMX J
T_H = 820 XNUMX
T_L = 380 XNUMX
Demandé :
W ?
Répondre :
Rendement du moteur de Carnot :
e = 1 – (T_L/T_H) = 1 – (380/820) = 1 – 0,46 = 0,54
Seulement 54 % de la chaleur est utilisée pour produire un travail. Utilisez ces données pour calculer le travail effectué par le moteur de Carnot (W).
(0,59)(8000) = 4720 joules
Le travail effectué par le moteur de Carnot est de 4720 joules.
La bonne réponse est B.

9. Un moteur de Carnot fonctionne entre une source de chaleur de 520 ^oRéservoir froid C et 110 ^oC. Si la machine absorbe 3000 joules de chaleur provenant de la source chaude, alors la quantité de chaleur rejetée par la machine est de...
A. 450 joules
B. 800 joules
Environ 1000 minutes
D. 1200 joules
E. 1440 joules
Discussion :
Est connu :
T_H = 520 + 273 = 793 K
T_L = 110 + 273 = 383 K
Q₁ = 3000 XNUMX J
Demandé :
Q₂ = … ?
Répondre :
Rendement du moteur de Carnot :
e = 1 – (383/793) = 1 – 0,48 = 0,52
Utilisez ces données pour calculer le travail effectué par le moteur (W).
(0,52)(3000) = 1560 joules
Le travail effectué par la machine est de 1560 joules.
La quantité de chaleur dégagée par le moteur :
Q₂ = 3000 joules – 1560 joules
Q₂ = 1440 joules
La chaleur dégagée par le moteur est de 1440 joules.