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le moteur de stirling
Dans la suite de mes articles sur les objets scientifiques (j’ai déjà le thermomètre de Galilée et le radiomètre de Crookes), voici un autre appareillage plutôt sympa : le moteur de Stirling miniature.

En version miniaturisé par rapport à sa conception initiale (à taille industrielle) par Robert Stirling en 1816, ce moteur présente la capacité de fonctionner grâce à la chaleur d’une tasse de café ou de thé chaud. Quand on place le moteur sur une tasse chaude, le moteur se met à tourner, alimenté par la chaleur du café.

La version industrielle a été conçue pour largement adoptée pour le fait qu’il fonctionnent par combustion externe, à l’opposé des moteurs à combustion interne qui à l’époque avaient tendance à exploser…

Le fonctionnement du moteur de Stirling

Le moteur de Stirling miniature se présente comme un socle dans laquelle se trouve un gros piston (le déplaceur), et un petit piston dans sa « cheminée ». Les deux sont reliés à une roue à inertie par un système de bielles.

Déjà, il est important de voir — une fois de plus — que les composants les plus imposants (la roue et le déplaceur) ne sont pas les endroits « où se passe la science ». Les phénomènes thermodynamiques se passent essentiellement sur le tout petit piston et sur les deux faces du socle.

Le socle du moteur constitue une enceinte renfermant du gaz (de l’air). Le volume de gaz dans l’enceinte ne varie que par le déplacement du petit piston : en position basse, le volume est légèrement réduit et en position haute, le volume est augmenté.
Les faces du socle sont métalliques et constituent les sources de chaleur : chaude sur le dessous et froide sur le dessus. Le gros piston dans la base, le déplaceur, n’est là que pour déplacer l’air au sein de l’enceinte : aucune force mécanique ne peut en être tirée.

Comme tous les moteurs rotatifs, le fonctionnement se fait selon un cycle. Le cycle est fermé et le moteur tourne, encore et encore. Il n’y a pas d’importance dans le choix du « début » du cycle : je prendrais donc la celui le plus simple à comprendre.

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Le cycle de stirling.

1. La détente.
Le déplaceur est en haut de l’enceinte : de l’air se trouve en dessous mais pas au dessus. Si l’on place le moteur sur une tasse chaude, la face inférieure du socle se réchauffe. L’air dans l’enceinte se détend et le petit piston est poussé vers le haut, entraînant la roue qui fait alors un quart de tour.

2. Le refroidissement
La roue à inertie, maintenant en rotation, a acquis de l’énergie, de l’inertie : il continue donc de tourner (un nouveau quart de tour) et il pousse le déplaceur tout en bas. Ce dernier déplace tout l’air au dessus de lui, ce qui le refroidit au contact de la plaque supérieure.

3. La compression
L’air, refroidie, se contracte : le petit piston est tiré vers le bas et il entraîne la roue qui effectue un troisième quart de tour.

4. L’échauffement
La roue, mise en rotation par la descente du petit piston, a de nouveau acquis de l’inertie : sa rotation se poursuit durant un dernier quart de tour au cours duquel il va tirer le déplaceur vers le haut. Ce dernier a déplacé tout l’air vers le bas, lequel se réchauffe et l’on revient au point 1 du cycle.

Ces quatre étapes se suivent dans cet ordre.
C’est uniquement l’action du petit piston qui provoque la rotation de la roue et le fonctionnement du moteur. Le déplaceur n’est là que pour brasser l’air et le faire alternativement entrer en contact avec la plaque chaude et la plaque froide.

Dans le moteur d’une voiture, les gaz se trouvent dans des cylindres et sont comprimés à des pressions énormes (jusqu’à 100 bars) par des pistons. Dans le moteur de Stirling miniature, la compression ne se joue qu’avec un faible déplacement d’un tout petit piston. La compression est donc infime. Cela réduit beaucoup la puissance du moteur, mais lui permet également de tourner avec une très faible différence de température (on parle aussi de delta-T).

Le moteur de Stirling MM-7 de l’American Stirling Company de l’image d’en-tête est annoncé comme pouvant fonctionner avec un delta-T de seulement 4 °C.
Elle peut tourner indéfiniment grâce à la chaleur d’une main !

J’ai dit que c’est la différence de température des deux plaques qui fait tourner le moteur, mais pas dans quel sens cette différence doit être. En effet, si on pose le moteur sur une plaque réfrigérante il tournera également… mais dans l’autre sens !
Les plaques chaudes et froides sont donc les plaques supérieures et inférieures respectivement.

Un cycle thermodynamique réversible

Si le moteur peut tourner à l’envers sur de la glace, le cycle thermodynamique du moteur de Stirling, lui, reste le même et dans le même sens.

Le cycle de Stirling est tel qu’il peut lui aussi fonctionner à l’envers. Dans ce cas, il s’agit d’entraîner la roue et il apparaît alors une différence de température sur les deux plaques.
En pratique, les moteurs de Stirling miniature (comme le MM-7) ne sont pas optimisés pour ce fonctionnement là, mais certaines installations utilisées dans le domaine de la cryogénie utilisent le cycle de Stirling pour produire des températures très froides jusqu’à −269 °C, soit seulement 4 °C au dessus du zéro absolu.

Autres particularités

Les usages du moteur de Stirling ne sont pas très communs, bien qu’il y a quelques applications spécifiques.

Contrairement au moteur à essence qui est à combustion interne (la chaleur est produite dans le moteur), le moteur de Stirling est à combustion externe (la chaleur est produite à l’extérieur). On peut donc utiliser un tel moteur pour récupérer la chaleur d’un moteur essence et produire de l’énergie : on parle alors de moteur de régénération.
Aussi, puisque le moteur tourne plus vite quand la différence de température augmente, certains refroidisseurs d’ordinateur peuvent utiliser un ventilateur entraîné par un moteur de Stirling : plus l’ordinateur chauffe, plus le moteur tourne vite et plus le refroidissement est important.

Aussi, certaines centrales solaires concentrent les rayons du Soleil sur une face d’un moteur de Stirling relié à une génératrice dans le but de produire de l’électricité. Le rendement de ces installations est alors bien plus important qu’une cellule photovoltaïque (plus de 30 % pour le moteur, là où les panneaux se limitent actuellement à 5‑20 % en général).

Enfin, la disposition du piston, du déplaceur et de la roue à inertie peut changer. Il existe ainsi plusieurs formes de moteur de Stirling : alpha, bêta, gamma, etc. Les moteurs miniature généralement montrés, comme dans cet article, sont de type gamma.

Dans le commerce, il existe plusieurs qualités / finitions de moteurs :

  • j’ai mentionné le modèle MM-7 de l’American Stirling, qui coûte relativement cher mais qui tourne à très faible écart de température : il tournerait indéfiniment si vous le placez sur votre « box-wifi » par exemple.
  • je peux aussi nommer le moteur de Stirling de Carl-Aero. Il fonctionne sur une tasse d’eau tiède ou chaude. La version transparente fonctionne l’été en plein soleil quand on le pose sur une serviette mouillée. C’est ce que je fais sur cette vidéo.
  • enfin, les moteurs moins chers (~20 €, comme ceux-ci) fonctionnent très bien également, mais il faudra un verre d’eau bien chaude pour qu’ils tournent. L’avantage de ceux là, c’est qu’ils peuvent tourner beaucoup plus vite et ont plus de force.

5 commentaires

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Lokoyote a dit :

Il est possible d'utiliser la roue pour convertir l'énergie de rotation en énergie de translation avec un piston par exemple ? Ou alors, dans ce cas, on provoque une perte d'énergie dans le cycle trop importante pour qu'il puisse continuer malgré la source de chaleur externe ?

Très intéressant en tous cas ! J'avais un prof au lycée qui nous avait emmener une fois une roue avec des embouts métalliques qui provoquent le passage d'un courant visible entre 2 pôles. Je ne sais pas le nom de ce truc, mais ça m'avait vraiment marqué. C'est sympa tous ces "petits" objets inconnus !

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Le Hollandais Volant a dit :

@Lokoyote : tout est possible : on peut tout à fait ajouter une bielle qui "extrait" du travail de la roue et la transmet à son tour à autre chose, comme une scie plate (qui fonctionne par translation).

Ça marcherait, c’est ce que font certaines machines qui ont besoin de tels mouvements. Mais forcément, ça fera des sources supplémentaire de frottements, donc quelques pertes en plus. Le mieux serait à mon avis de coupler une bielle directement sur une des deux bielles du moteur. Ça évite d’avoir trois attaches sur la roue (qui ne servirait alors que de volant à inertie.

Dans tous les cas, les moteurs de Stirling miniatures comme celui de la photo n’est pas prévu pour produire un travail. À la limite il faudrait utiliser un des modèles "moins chers" : ils tournent bien plus vite, avec des $\Delta T$ bien plus fort et produisent un travail exploitable plus grand. Mais autrement, il faudrait utiliser un moteur de Stirling spécialement conçu pour produire du travail, et pas juste comme objet de décoration.

Mais autrement, oui c’est parfaitement possible : c’est même le but d’un "moteur thermique" au sens large : qu’on puisse exploiter le mouvement qui est produit, et pas seulement le perdre dans une roue à inertie.

J'avais un prof au lycée qui nous avait emmener une fois une roue avec des embouts métalliques qui provoquent le passage d'un courant visible entre 2 pôles. Je ne sais pas le nom de ce truc, mais ça m'avait vraiment marqué. C'est sympa tous ces "petits" objets inconnus !

La machine de Wimshurst ?

Vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=Zilvl9tS0Og

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Lokoyote a dit :

@Le Hollandais Volant : Merci pour ta réponse, clair et complet ! Après c'est clair qu'il faut trouver l'utilité et surtout la source de chaleur sur laquelle se baser... Mais en y réfléchissant un peu je suis sûr qu'on peut trouver un tas d'utilité, faut aussi savoir que ça existe ce genre de moteur. Pour moi, les seuls qui existaient c'étaient des modèles "moteur de voiture" ou "modèle à vapeur" où l'énergie est apportée à l'intérieur.

Oui voilà ! C'est exactement ça, la machine de Wimshurst ! J'étais vraiment ébahi quand on me l'avait montré haha

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Le Hollandais Volant a dit :

@Lokoyote : Le truc sympa de ce moteur de Stirling, c’est que la vitesse de rotation est fonction de la différence de chaleur entre les deux plaques.
Imagines, tu as une plaque à refroidir (au hasard : le CPU de ton PC). Ajoute un ventilateur sur la roue à inertie.

Tu as alors un système auto-asservi.

Le CPU se met à chauffer → le moteur tourne plus vite → le ventilateur tourne plus vite également → le CPU est d’avantage refroidit !
Et en prime, la source d’énergie du ventilateur est la chaleur perdue du CPU lui-même, donc pas de consommation électrique, ni pour le ventilateur, ni pour le système d’asservissement (contrôle de la vitesse du ventilateur) !

Certains refroidisseurs (de compétition, faut le dire) pour CPU utilisent un mini-moteur de Stirling. On le voit ici à partir de 0:25 : https://www.youtube.com/watch?v=OqqeR4ZRx6w

Il me semblait que Acer avait réussis à placer ça dans un ordinateur portable aussi, mais un moteur de Stirling en configuration bêta et plat, comme là : https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling#/media/File:Animrhombor.gif

Pour moi, les seuls qui existaient c'étaient des modèles "moteur de voiture" ou "modèle à vapeur" où l'énergie est apportée à l'intérieur.

Ah mais le moteur à vapeur est à combustion externe : on brûle le charbon (ou autre chose) sous une réserve d’eau, et quand l’eau bout, le gaz qui est utilisé pour propulser les pistons, c’est la vapeur d’eau.
Pour info, les centrales nucléaires fonctionnent avec des moteurs à vapeur : on bout de l’eau grâce à la chaleur issue de la fission nucléaire, et la vapeur entraîne une énorme turbine. Les « nuages » que tu observe au dessus des cheminées des centrales nucléaires est de la vapeur d’eau seulement. Et généralement, les centrales nucléaires sont toujours près d’un fleuve ou un gros cours d’eau, justement pour avoir de l’eau froide à disposition ;).

Et puis, tout appareil qui produit un mouvement à partir d’une différence de température est un moteur thermique (au sens thermodynamique).
L’air chauffé par le soleil, détendu, puis soufflant des quantités d’air d’un endroit chaud vers un autre endroit, plus froid ? Le vent est un moteur thermique (et un cyclone aussi, où c’est bien plus compréhensible, d’un coup) !

Du coup… faudrait que je fasse un article sur l’oiseau buveur, un autre petit objet curieux et amusant (qui est aussi un « moteur thermique ») ;)

Oui voilà ! C'est exactement ça, la machine de Wimshurst ! J'étais vraiment ébahi quand on me l'avait montré haha

:)

Le fonctionnement est juste à base d’électricité statique et d’équilibre de charges. Grâce aux collecteurs, les charges + et − sont accumulées dans des condensateurs (bouteille de Leyde) et quand la tension est suffisante pour briser la résistivité de l’air entre les deux boules de cuivre, un arc électrique apparaît, de très faible intensité, mais d’une tension d’environ 40 000 V (ils disent dans la vidéo).

Dans le genre, tu as ça aussi avec de l’eau. C’est assez dur à suivre, mais dans l’ensemble le résultat est… surprenant : https://www.youtube.com/watch?v=rv4MjaF_wow

Et du coup, ça, ça pourrait peut-être permettre de récupérer (un tout petit peu) d’énergie à partir d’une simple pluie et quelques grillages. Rien de quoi alimenter ne serait-ce qu’une lampe, mais j’aimerais un jour avoir ça dans le jardin et faire un gros arc électrique avec de la pluie HAHAHAHAHA *rire de scientifique fou américain*

(et du coup, un petit lien vers le détecteur d’orages de Benjamin Franklin — pardon pour te faire lire tous mes articles :p )

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Lokoyote a dit :

Haha merci pour ta réponse hyper précise.

Je n'ai pas entièrement la logique physicienne, c'est pas mal d'avoir ce genre d'articles pour comprendre certains trucs de la vie de tous les jours ! J'avais pris une UE à la fac justement pour ça, c'était vraiment cool, mais aucun des objets que tu présentes.

C'est évident quand tu le dis pour le moteur à vapeur, je le savais en plus... Surtout que l'exemple que j'utilise le plus pour expliquer ça c'est justement celui que tu m'as présenté, les centrales nucléaires haha (gros fail là).

Pas mal le coup de la machine de Wimshurst avec de l'eau, fallait y penser ! Ça prouve bien que l'eau n'est pas électriquement neutre d'un point de vue microscopique :)

T'en fais pas pour tes liens, j'ai déjà du lire les 4/5 mais une piqûre de rappel de temps en temps ça ne fait pas de mal !


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