Physique de la conversion d'énergie , livre ebook

Jean-Marcel Rax
Physique de la conversion d'énergie
Copyright

© EDP Sciences, Les Ulis, 2015
ISBN papier : 9782759807925 ISBN numérique : 9782759832743
Composition numérique : 2023
http://publications.edpsciences.org/
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Présentation

Cet ouvrage fait partie de la 28e Sélection du PRIX ROBERVAL, catégorie Enseignement Supérieur.
Les gradients des variables thermodynamiques intensives, potentiels mécanique et électrique, pression, température et potentiel chimique, constituent des écarts à l’équilibre thermodynamique permettant d’extraire du travail de notre environnement. Les processus de conversion d’énergie utilisant ces sources d’énergies libres sont accompagnés d’une production d’entropie qui dégrade l’efficacité de conversion. Cet ouvrage de Physique de la conversion d’énergie est issu de plusieurs cours enseignés en France et à l’étranger, principalement en M1 et M2 à la Faculté des sciences d’Orsay et à l’École Polytechnique. Il est articulé autour de deux axes principaux : • l’étude des concepts et méthodes de la physique des processus irréversibles , orientée vers l’identification et l’analyse des mécanismes de production d’entropie ; • la description et l’analyse physique des principes et limitations des générateurs magnétohydrodynamiques, thermoélectriques, thermoïoniques, photovoltaïques et électrochimiques. Ce livre vise à offrir aux étudiants de nos facultés, aux élèves de nos écoles et aux chercheurs de nos instituts, une monographie permettant d’aborder les questions de l’efficacité et du rendement des systèmes de conversion d’énergie dans la continuité des cursus de physique appliquée , de physique fondamentale , ou d’ ingénierie généraliste , aux niveaux M1-M2-D.
L'auteur

Jean-Marcel Rax

Orsay, Palaiseau, Novembre 2014
Table des matières Préface (SébastienCandel) Avant-propos Chapitre 1. Conversion et dissipation 1.1. Conservation et conversion 1.2. Collisions, fluctuations et transport Chapitre 2. Énergie et entropie 2.1. Conservation et évolution 2.2. Facteurs de Boltzmann et Gibbs Chapitre 3. Évolutions markoviennes 3.1. Processus markoviens 3.2. Conversion d énergie et transitions 3.3. Équations cinétiques Chapitre 4. Flux dissipatifs 4.1. Flux et forces thermodynamiques 4.2. Conversion d énergie et transport linéaire Chapitre 5. Machines thermiques et chimiques 5.1. Machines de Carnot 5.2. Machines de Van t Hoff 5.3. Machines endoréversibles 5.4. Cycles chimique et thermique équivalents Chapitre 6. Conversion magnétohydrodynamique 6.1. Conversion électrohydrodynamique 6.2. Modèle d'Alfven-Saha des plasmas 6.3. Couplage magnétohydrodynamique 6.4. Convertisseurs Hall et Faraday Chapitre 7. Conversion thermoïonique 7.1. Mod les de Lorentz-Sommerfeld des métaux 7.2. Relation de Richardson-Dushman 7.3. Diodes de Langmuir et Schottky Chapitre 8. Conversion thermoélectrique 8.1. Modèle classique des semiconducteurs 8.2. Effets thermoélectriques 8.3. Machines thermoélectriques Chapitre 9. Conversion photovoltaïque 9.1. Modèle de Planck du rayonnement thermique 9.2. Conversion photovoltaïque 9.3. Jonction P-N photovoltaïque Chapitre 10. Conversion électrochimique 10.1. Modèle de Nernst de l équilibre redox 10.2. Surtensions et polarisations 10.3. Piles à hydrogène Index
Préface

Sébastien Candel

Professeur des Universités à l Ecole Centrale Paris Membre de l Académie des sciences et de l Académie des technologies

J ean-Marcel Rax propose un ouvrage remarquable à la fois du point de vue des sujets traités et de la façon de les aborder. Les questions de l énergie sont ici envisagées dans leur complexité et leur variété, des sujets qui ont toujours été au c ur de la science et de la technique et dont l intérêt pratique et sociétal est désormais considérable. Alors que les ouvrages généraux qui traitent de l énergie se sont multipliés avec l apparition des grandes questions posées par l avenir de l énergie et la transition énergétique future, les livres qui traitent du problème au niveau scientifique sont plus rares et d autant plus remarquables et incontestablement utiles. C est un point de vue de physicien qui est adopté ici, celui d un physicien très au fait des grands principes fondamentaux et des grandes méthodes de la physique. A chaque étape les problèmes sont abordés au moyen d une combinaison d analyses aux diverses échelles microscopiques, mésoscopiques et macroscopiques incluant la physique statistique, la thermodynamique, la physique du solide et la mécanique des milieux continus.
Physicien des plasmas reconnu pour ses travaux de recherche, médaille d argent du CNRS, Jean-Marcel Rax, apporte ici une vision qui dépasse le cadre de son domaine d investigation tout en conservant les méthodes habituelles de ce domaine qui allient des analyses à toutes les échelles. Le résultat est un ouvrage qui réalise une belle synthèse des phénomènes de conversion d énergie. On a ainsi une vision originale de sujets qui sont généralement traités de façon séparée avec les caractéristiques principales suivantes :
une présentation unifiée du point de vue de la physique des notions d énergie et d entropie ;
des analyses qui font le lien entre la physique aux diverses échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique ;
une intéressante comparaison entre des machines thermiques et chimiques s appuyant sur des analyses détaillées de l efficacité énergétique ;
un traitement fondamental des concepts qui sont à la base des moyens de conversion directe de l énergie.
Ce livre suppose une connaissance préalable de physique et de thermodynamique. Il s adresse à des étudiants de niveau Master ou des élèves d Écoles d ingénieurs prêts à le lire un stylo à la main pour suivre les calculs détaillés, comprendre les concepts, les méthodes d analyse et les estimations en ordre de grandeur.
Cet ouvrage s adresse aussi à des ingénieurs qui souhaitent retrouver les principes physiques des technologies de l énergie ou à des chercheurs de domaines variés, physiciens, mécaniciens, chimistes, énergéticiens Il peut être lu sans difficultés car son auteur a mis un soin particulier dans la présentation logique, argumentée et progressive des notions centrales du domaine étudié, dans les développements mathématiques et dans la clarté de l exposé. Les talents pédagogiques de Jean-Marcel Rax, son expérience d enseignement de haut niveau à l Université d Orsay et à l École Polytechnique sont ici apparents et donnent toute sa qualité à l exposé.
Cette synthèse devrait non seulement prendre place dans la bibliothèque de tous ceux qui veulent comprendre la science de l énergie mais se trouver aussi à portée de main de ceux qui travaillent dans le domaine de l énergie.
Avant-propos

L es concepts d énergie et d entropie furent dégagés à travers un processus historique dont l essentiel du développement se situe entre 1830 et 1930. Issue de cette histoire, l analyse des limitations des machines de conversion d énergie offre un champ d applications historiquement fécond et un lieu d échange privilégié entre physiciens et ingénieurs.
Les gradients de variables intensives constituent des écarts à l équilibre thermodynamique permettant d extraire du travail de notre environnement : différences de potentiels mécanique et électrique, pression, température et potentiel chimique.
Les procédés de conversion d'énergie utilisant ces sources d énergies libres sont toujours accompagnés d une production d'entropie . L extraction d énergie libre des gradients de potentiel mécanique, de potentiel électrique et de pression, mettant en jeu un petit nombre de degrés de liberté, l efficacité des machines hydrauliques, électriques et pneumatiques est voisine de l unité. Par contre, l utilisation des gradients de températures et de potentiels chimiques est fortement limitée par le fait que l énergie cinétique d agitation thermique, et l énergie potentielle d engagement au sein de liaisons chimiques, sont distribuées sur un très grand nombre de degrés de liberté.
Cet ouvrage de Physique de la Conversion d'Energie est articulé autour de deux axes principaux. ( i ) L étude des concepts et méthodes de la physique des processus irréversibles, orientée vers la problématique de l efficacité de conversion énergétique, à travers les modélisations microscopique (processus markoviens) et macroscopique (flux linéaires couplés). La thermodynamique et ces deux cadres de descriptions sont utilisés pour présenter les deux principaux types de convertisseurs : les machines thermiques de Carnot et les machines chimiques de Van't Hoff . ( ii ) La description et l analyse physique des principes et limitations des générateurs photovoltaïques, thermoïoniques, thermoélectriques, électrochimiques et magnétohydrodynamiques .
Les conseils de Michel Le Bellac et Jean-François Guillemoles m ont permis de préciser certains points et j ai tiré grand profit de leurs remarques qui ont contribuées à l amélioration de cet ouvrage, je leur exprime ici ma reconnaissance, ainsi qu à Sébastien Candel pour sa préface et Michèle Leduc pour ses encouragements à terminer cette monographie.
Cet ouvrage peut être adopté comme manuel de base, aux niveaux M1-M2-D, par les étudiants de nos facultés et les élèves de nos écoles ; ou comme monographie, par les chercheurs de nos instituts confrontés aux questions de l efficacité et du rendement des systèmes de conversion d énergie, questions de physique fondamentale dont la clarté est parfois obscurcie par les enjeux et débats économiqu