| Titre : | Physique de la conversion d'énergie |
| Auteurs : | Jean-Marcel Rax, Auteur |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Les Ulis : EDP sciences, DL 2015 |
| Collection : | Savoirs actuels. Série Physique, ISSN 1255-0175 |
| Sous-collection : | Physique |
| ISBN/ISSN/EAN : | 978-2-7598-0792-5 |
| Format : | 1 vol. (VIII-339 p.) / ill. / 23 cm |
| Note générale : | Notes bibliogr. Index |
| Langues: | Français |
| Index. décimale : | 621.312 4 |
| Catégories : |
[Agneaux] Énergie > Conversion directe |
| Résumé : |
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 M 1 et M2 à la Faculté des sciences d'Orsay et à l'Ecole 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 MI-M2-D. |
| Sommaire : |
1 Conversion et dissipation 5
1.1 Conservation et conversion ..................... 5 1.1.1 Structure de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Hiérarchie des énergies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.3 Exemples éolien et hydraulique . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.4 Conversion directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2 Collisions, uctuations et transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.1 Flux moléculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2.2 Section e!cace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.2.3 Flux collisionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.2.4 Équation de Fokker-Planck phénoménologique . . . . . 40 1.2.5 Introduction au transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2 Énergie et entropie 55 2.1 Conservation et évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.1.1 Représentations énergétique et entropique . . . . . . . . 55 2.1.2 Principes de conservation et d’évolution . . . . . . . . . 61 2.2 Facteurs de Boltzmann et Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.2.1 Équilibres canoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.2.2 Électrons et photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.2.3 Potentiels chimiques des gaz idéaux . . . . . . . . . . . 80 3 Évolutions markoviennes 85 3.1 Processus markoviens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.1.1 Échelles structurelles et dynamiques . . . . . . . . . . . 85 3.1.2 Systèmes markoviens canoniques . . . . . . . . . . . . . 88 3.2 Conversion d’énergie et transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.2.1 Échange et production d’entropie . . . . . . . . . . . . . 93 3.2.2 Machine markovienne ditherme . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3 Équations cinétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.3.1 Équation de Boltzmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.3.2 Équations de Fokker-Planck canoniques . . . . . . . . . 99 3.3.3 Introduction à la réactivité . . . . . . . . . . . . . . . . 103 2 TABLE DES MATIÈRES 4 Flux dissipatifs 111 4.1 Flux et forces thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.1.1 Flux d’extensités et gradients d’intensités . . . . . . . . 111 4.1.2 Échange et production d’entropie . . . . . . . . . . . . . 115 4.1.3 Coe!cients cinétiques linéaires . . . . . . . . . . . . . . 118 4.2 Conversion d’énergie et transport linéaire . . . . . . . . . . . . . . 124 4.2.1 Conversion et transport actif . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.2.2 Machine linéaire ditherme . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5 Machines thermiques et chimiques 131 5.1 Machines de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.1.1 Cycle de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.1.2 Rendement de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2 Machines de Van’t Ho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.2.1 Cycle de Van’t Ho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.2.2 Rendement de Van’t Ho . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3 Machines endoréversibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 5.3.1 Machines thermiques endoréversibles . . . . . . . . . . . 142 5.3.2 Cycle exoréversible à régénération . . . . . . . . . . . . 145 5.3.3 Machines chimiques endoréversibles . . . . . . . . . . . 148 5.4 Cycles chimique et thermique équivalents . . . . . . . . . . . . . 149 6 Conversion magnétohydrodynamique 155 6.1 Conversion électrohydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.1.1 Modèle de Townsend des décharges . . . . . . . . . . . . 156 6.1.2 Générateurs électrohydrodynamiques . . . . . . . . . . . 161 6.1.3 E!cacité de conversion EHD . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.2 Modèle d’Alfven-Saha des plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 6.2.1 Hautes températures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 6.2.2 Loi de Saha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2.3 Diusion magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.3 Couplage magnétohydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.3.1 Dérive d’entraînement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.3.2 Magnétohydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.3.3 Loi d’Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 6.4 Convertisseurs Hall et Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 6.4.1 Courants Hall et Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 6.4.2 Extraction MHD d’enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . 186 7 Conversion thermoïonique 191 7.1 Modèles de Lorentz-Sommerfeld des métaux . . . . . . . . . . . . 193 7.1.1 Surfaces des métaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.1.2 Potentiels de Galvani et Volta . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.2 Relation de Richardson-Dushman . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 7.2.1 Modèle d’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 7.2.2 Modèle cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 TABLE DES MATIÈRES 3 7.2.3 Doubles couches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.2.4 Caractéristiques thermoïoniques . . . . . . . . . . . . . 212 7.3 Diodes de Langmuir et Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 7.3.1 Régime de Langmuir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 7.3.2 Régime de Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 8 Conversion thermoélectrique 235 8.1 Modèle classique des semiconducteurs . . . . . . . . . . . . . . . 236 8.1.1 Semiconducteurs intrinsèques . . . . . . . . . . . . . . . 236 8.1.2 Semiconducteurs dopés . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 8.2 Eets thermoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 8.2.1 Eets Peltier et Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 8.2.2 Modèle cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 8.2.3 Eet Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 8.3 Machines thermoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 8.3.1 Générateur Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 8.3.2 Réfrigérateur Peltier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 8.3.3 Matériaux thermoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . 262 9 Conversion photovoltaïque 267 9.1 Modèle de Planck du rayonnement thermique . . . . . . . . . . . 269 9.1.1 Luminance du corps noir . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 9.1.2 Conservation de l’étendue optique . . . . . . . . . . . . 272 9.1.3 Entropie et concentration du rayonnement . . . . . . . . 275 9.2 Conversion photovoltaïque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 9.2.1 E!cacité de Landsberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 9.2.2 Cellule à deux niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 9.2.3 Cellule à gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 9.3 Jonction P-N photovoltaïque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 9.3.1 Jonction P-N à l’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 9.3.2 Jonction P-N illuminée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 9.3.3 Relation de Shockley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 10 Conversion électrochimique 303 10.1 Modèle de Nernst de l’équilibre redox . . . . . . . . . . . . . . . . 305 10.1.1 Équilibre de Nernst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 10.1.2 Interface métal-solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 10.1.3 Machines électrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 10.2 Surtensions et polarisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 10.2.1 Surtension d’activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 10.2.2 Concentration et conduction . . . . . . . . . . . . . . . 320 10.3 Piles à hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 10.3.1 Oxydation de l’hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 10.3.2 Surtensions, convection et diusion . . . . . . . . . . . . 327 10.3.3 Conversion et stockage de l’énergie . . . . . . . . . . . . 333 |
Disponibilité (7)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
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