Un moteur thermique est un appareil utilisé pour convertir l’énergie thermique, ou la chaleur, en travail mécanique. Cela se fait lorsque la chaleur, provenant d’une source chaude, passe à travers le moteur lui-même et dans un puits froid. Le puits froid est la partie à basse température d’un cycle thermodynamique, comme l’unité de condensation trouvée dans le cycle de Rankine, ou à vapeur. Il existe de nombreux types de moteurs thermiques, chacun ayant son propre cycle. Quelques exemples de moteurs thermiques comprennent les moteurs à vapeur et à combustion interne, ainsi que les moteurs Stirling et les turbines à gaz.
Généralement, un moteur thermique sera confondu avec le cycle thermodynamique qui se déroule dans le moteur lui-même. Ceci est principalement dû au fait que les moteurs thermiques sont souvent classés selon leurs cycles thermodynamiques spécifiques. Le dispositif lui-même qui convertit l’énergie thermique en travail est connu sous le nom de moteur, tandis que le modèle thermodynamique appliqué au moteur est le cycle. Pour cette raison, les moteurs à vapeur ne sont pas appelés moteurs Rankine.
Un moteur thermique efficace essaiera d’imiter au mieux son cycle respectif. Plus la différence de température entre la source chaude et la source froide au cours du cycle est élevée, plus le moteur est efficace. Par exemple, une machine à vapeur efficace nécessite à la fois une source de chaleur à haute température et un puits froid à basse température. Dans le cycle de Rankine, une chaudière utilise un brûleur à haute température pour convertir l’eau en vapeur. Cette vapeur traverse le moteur et est ensuite recondensée en eau à travers un condenseur à basse température.
Plus le condenseur est froid, plus la vapeur sera recondensée en eau. En effet, les condenseurs sont conçus pour inverser efficacement le processus de saturation effectué par la chaudière. Cela aidera à atteindre des taux de condensation plus élevés; plus le taux est élevé, plus l’eau sera restituée. Cela contribue à augmenter l’efficacité globale du cycle de vapeur.
Alors que l’efficacité du moteur thermique peut être fortement optimisée grâce à une grande différence de températures entre la source chaude et le puits froid, elle est encore limitée. En effet, la température du puits froid dépend de la température qui l’entoure, qui, dans certaines situations, ne peut pas être refroidie dans des conditions idéales. De ce fait, le rendement d’un moteur thermique est limité aux limites de température du puits froid. Une solution courante consiste à augmenter la température de la source chaude ; pourtant, même cela est limité à un manque de résistance du matériau sous des températures élevées.
L’efficacité du moteur thermique varie en fonction du moteur et du cycle spécifiques. L’efficacité thermique varie de 3% à environ 70%, les moteurs de voiture atteignant une efficacité thermique d’environ 25%. Les moteurs thermiques les plus efficaces se trouvent dans les grandes centrales électriques, où des turbines à gaz et à vapeur sont utilisées pour produire de l’électricité.