1) Le Cycle de Stirling : les 4 phases élémentaires
Dans les applications pratiques le cycle Stirling est quasi-elliptique. En mathématiques, cela signifie que c'est une courbe fermée dont la somme des distances entre chaque point est fixe. Le cycle est réversible. C'est-à-dire que si un travail mécanique est fourni, il peut fonctionner comme une pompe à chaleur et fournir de la chaleur ou du froid. Le cycle est fermé. Cela signifie que le fluide travaillant est toujours dans la machine thermodynamique.
1. Le diagramme (P, V)
Le diagramme pression-volume (ou diagramme (P, V) représente les 4 phases du moteur Stirling. Plus précisément, il exprime la pression du gaz (sur l'axe des ordonnées) en fonction du volume occupé par ce même gaz (sur l'axe des abscisses).
Explications :
1. Un chauffage isochore (à volume constant) (1 → 2) :
Le brûleur (la source chaude) cède de l'énergie thermique, causant la hausse de la pression et la température du gaz.
2. Une détente isotherme (à température constante) (2 → 3) :
Le volume s'accroît alors que la pression diminue mais la température reste constante. C'est pendant cette transformation que l'énergie motrice est produite.
3. Un refroidissement isochore (3 → 4) :
L'eau projetée (la source froide) récupère de l'énergie thermique. La température et la pression diminuent pendant cette phase.
4. Une compression isotherme (4 → 1) :
La pression du gaz augmente au fur et à mesure que son volume diminue. On doit fournir de l'énergie mécanique au gaz pendant cette période.
On remarque dès lors que la détente et la compression s'effectuent à température constante, alors que le chauffage et le refroidissement s'effectuent à volume constant. L'aire coloriée en vert représente le travail accompli pendant un cycle. Cependant, il est essentiel de préciser que les températures sont exprimées en Kelvin et non en degrés Celsius. Il faut alors ajouter 273 à la valeur en °C.
2. Le rendement du cycle :
On peut calculer le rendement à partir de la formule suivante:
Rendement = 1 - Tf/Tc
Tf = température froide (en Kelvin)
Tc =température chaude (en Kelvin)
On remarque que la compression et la détente sont deux phases de travail W. Ainsi, le travail net du moteur vaut
Wnet = Wdétente + Wcompression
Remarque : Wcompression est négative
De même, on peut voir que le chauffage et le refroidissement sont deux phases d'apport d'énergie calorifique Q (changements de température). Ainsi, l'énergie calorifique nette du moteur vaut
Qnette = Qchauffage + Qrefroidissement
Remarque: tout comme Wcompression, Qrefroidissement est négative.
3. Comparaison avec le cycle de Carnot
Cycle de Carnot Cycle de Stirling
Le cycle de Stirling ressemble fortement à celui de Carnot. Les schémas ci-dessus sont pratiquement identiques. En revanche on observe quelques différences: le volume du gaz pendant les phases du refroidissement (1 → 2) et du chauffage (3 → 4) est identique.