Voir la source de Énergie pneumatique

[[Image:Table of Pneumaticks, Cyclopaedia, Volume 2.jpg|thumb|« ''Pneumatics'' » (''[[Cyclopaedia]]'', [[1728]])]]
[[File:Pneumeter - 2022.jpg|thumb|Avec un manomètre, vous mesurez la pression de l'air, sur la photo un manomètre à main pour mesurer la pression de l'air dans les pneus de vélo.]]
L''''énergie pneumatique''' est l'[[énergie]] emmagasinée dans un [[gaz]] sous forme mécanique du fait qu'il est [[compression (thermodynamique)|comprimé]]. Elle est produite par des [[Compresseur mécanique|compresseurs]] et exploitée dans un système pneumatique.

Dans un système pneumatique, le gaz comprimé est utilisé comme moyen de transport et de [[Stockage de l'énergie|stockage d’énergie]]. De production facile, le système pneumatique présente un certain nombre d’avantages.

Comme un [[système hydraulique]], un système pneumatique est fondé sur une différence de [[pression]]s entre deux zones, qui crée une force, puis un mouvement. Mais un système hydraulique utilise un fluide non compressible, un liquide, alors qu'un système pneumatique s'appuie sur un fluide compressible, un gaz. Un système hydraulique  comprend souvent un système pneumatique pour un stockage d'énergie, au moins temporaire, le gaz étant utilisé à la manière d'un ressort.

== Choix du gaz ==
L'[[air]] est très majoritairement utilisé, sauf quand des contraintes diverses conduisent à choisir d'autres gaz :
* par exemple, une préoccupation de résistance à l'oxydation conduit à utiliser de l'azote ou un autre gaz neutre chimiquement comme les [[gaz noble]]s ;
* des températures particulières peuvent conduire à utiliser des matériaux ayant une phase vapeur aux températures recherchées : les [[Machine à vapeur|machines à vapeur]] utilisent un mélange d'air et de vapeur d'eau ;
* enfin, les [[Moteur à combustion interne|moteurs à combustion interne]] sont des systèmes dont le gaz comprimé est issu de la combustion d'un combustible dans de l'air.

== Principes de mise en œuvre ==
Il existe de nombreuses formes de pompes ou compresseurs<ref group=alpha>Voir par exemple l'article [[Compresseur mécanique]].</ref> classées en deux grandes familles : les compresseurs volumétriques, où un organe (piston ou assimilé) fait varier le volume d'une chambre de compression, et les turbines, qui jouent sur un effet dynamique, comme la [[force centrifuge]].

Un système pneumatique repose sur une différence de pressions entre deux zones, différence de pression qui crée une [[Force (physique)|force]] mécanique. En général la pression la plus forte se situe à l'intérieur de la chambre, et la pression la plus faible à l'extérieur — souvent la [[pression atmosphérique]].

La force (F) résultant de la différence de pression entre les deux zones est proportionnelle à la différence de pression (P1 - P2) et à la surface (S) sur laquelle elle s'exerce : F = (P1 - P2) * S

Dans le cas le plus habituel, on utilise une pompe/compresseur volumétrique. La chambre est alors fermée par une partie déformable et/ou mobile, que l'on nomme « [[piston (mécanique)|piston]] », le déplacement du piston modifie le volume de la chambre.

Dans la plupart des cas, le piston se déplace en translation dans un [[Cylindre (moteur)|cylindre]], mais il existe une grande variété de pompes ou compresseurs volumétriques.

Les armes peuvent souvent être assimilées à des moteurs pneumatiques. Le projectile joue le rôle de piston, animé d'une très grande vitesse linéaire, combinée à une rotation servant à le stabiliser sur sa trajectoire.

Enfin, le piston peut être déformable (ballon, diaphragme) voire être liquide ([[baromètre]] à mercure, bulle).

== Bases de la modélisation physique ==
La modélisation des systèmes pneumatiques se fait en grande partie dans le cadre de la [[thermodynamique]]. Les systèmes ayant de nombreux paramètres de description, la modélisation est souvent délicate.

La [[loi des gaz parfaits]], qui fait intervenir la pression, le volume, la [[quantité de matière]] gazeuse et la température, est utilisée pour décrire les situations statiques à faibles pressions. D’autres lois plus complexes sont utilisées lorsque les pressions deviennent importantes ou que les gaz ont un comportement qui s'écarte trop du modèle du gaz parfait.

D'autre part, il faut tenir compte des effets dynamiques dus aux mouvements du gaz étudiés par l'[[aérodynamique]] et qui peuvent mener à des résonances, c'est-à-dire des [[son (physique)|sons]].

Les différences de température vont entraîner des [[Transfert thermique|transferts thermiques]], qui vont également modifier le comportement mécanique du système.

Selon les conditions de température et de pression, les constituants physico-chimiques peuvent changer d'état, entre gaz, liquide, voire solide, ce qui change notamment la densité volumique, la compressibilité et l'énergie disponible. Des réactions chimiques peuvent également se produire, modifiant la composition du système.

Pour réussir à comprendre les interactions entre tous les paramètres, on essaye de se ramener à des situations simples, en gardant certains paramètres constants. Par exemple :
* [[Processus isotherme|isotherme]] : à température constante ;
* [[Processus isobare|isobare]] : à pression constante ;
* [[Processus isochore|isochore]] : à volume constant ;
* [[Processus adiabatique|adiabatique]] : sans transfert thermique.

Cependant, dans la réalité, les transformations sont [[Transformation polytropique|polytropiques]]. Cela veut dire qu'une partie de l'énergie [[Travail d'une force|(travail)]] est soustraite ou augmentée (notamment dans le cas de la détente) par les échanges thermiques avec l'environnement extérieur.

En outre, on peut aussi essayer de faire les transformations lentement afin de rester proche des équilibres :
* si un piston de [[pompe à vélo]] est poussé rapidement, l'air va sortir très chaud ;
* s'il est poussé plus lentement, l'air s'échauffera moins et plus de pression sera disponible. L'efficacité de la compression sera meilleure.

== Estimation de l'énergie ==
{{section à sourcer|date=mai 2016}}

=== Première méthode d'estimation ===
Un réservoir de volume <math>\displaystyle V</math> contenant de l'air à la pression <math>\displaystyle Pa</math> qu'on laisse se détendre contient effectivement de l'[[énergie mécanique]] qu'on peut récupérer.

Dans le cas d'une [[Compression et détente adiabatique|détente adiabatique]] réversible, sans perte ([[Efficacité énergétique (thermodynamique)|efficacité énergétique]] égale à 100 %), l'énergie délivrée (en J/kg d'air) sera :
:<math>W= -\frac{\gamma}{\gamma-1}* Z * r * Ta * \left[{\frac{Pr}{Pa}}^{(\frac{\gamma-1}{\gamma})} - 1\right]</math>
avec :
:<math>\gamma</math> = <math>Cp/Cv</math> = 1,4 pour de l'air
:<math>\displaystyle Z</math> = [[Compressibilité|coefficient de compressibilité]] = 1  
:<math>\displaystyle r</math> = constante du gaz = <math>R/M</math> où <math>\displaystyle R</math> = {{unité|8.314|J/mole.K}} et <math>\displaystyle M</math> est la [[masse molaire]] en kg/mole (= 0,028 pour de l'air) 
:<math>\displaystyle Ta</math> = [[température absolue]] (en [[kelvin|K]]) à l'aspiration. Si t = {{unité|27|°C}} alors Ta = {{unité|300|K}}.

Quelques valeurs de <math>\displaystyle W</math> et <math>\displaystyle \rho</math> (la [[masse volumique]] de l'air à la pression considérée) : 
* pour <math>\displaystyle Pa</math> = {{unité|1|bar}} (= pression atmosphérique), alors <math>\displaystyle W</math> = -311 775*[(1/Pa)^0,286 -1) ;
* pour <math>\displaystyle Pa</math> = {{unité|300|bars}}, <math>\displaystyle W</math> = {{unité|250.76|kJ/kg}} et <math>\displaystyle \rho</math> = {{unité|423|kg/m3}} ;
* pour <math>\displaystyle Pa</math> = {{unité|100|bars}}, <math>\displaystyle W</math> = {{unité|228.24|kJ/kg}} et <math>\displaystyle \rho</math> = {{unité|141|kg/m3}}.

Si on a un réservoir de {{unité|300|litres}} (soit cinq fois un réservoir normal), soit {{unité|0,3 m3}} :
* pour <math>\displaystyle Pa</math> = {{unité|300|bars}} on a {{unité|126|kg}} d'air (en supposant le gaz parfait, ce qui n'est pas vraiment exact dans cette gamme de pression) ;
* pour <math>\displaystyle Pa</math> = {{unité|100|bars}} on a {{unité|42|kg}} d'air.

On peut donc stocker (en supposant que la pression est toujours maximale jusqu'à l'utilisation du dernier kg d'air ce qui majore considérablement la valeur calculée) :
* pour <math>\displaystyle Pa</math> = {{unité|300|bars}}, Énergie = {{unité|31500|kJ}} = {{unité|8.75|kWh}} ;
* pour <math>\displaystyle Pa</math> = {{unité|100|bars}}, Énergie = {{unité|9576|kJ}} = {{unité|2.7|kWh}}.

Ces calculs concernent la détente adiabatique, ce qui correspond à une détente rapide (ce qui est habituellement le cas dans une machine) le rendement est meilleur avec une détente lente en maintenant le gaz à température constante (détente isotherme).

=== Autres méthodes d'estimation ===
L'énergie <math>\displaystyle E </math> contenue dans un volume <math>\displaystyle V </math> de gaz comprimé à une pression <math>\displaystyle P </math> vaut : <math>E = \frac{i}{2} \cdot P \cdot V</math> où :
* <math>i=3</math> pour un [[gaz monoatomique]] (par exemple [[Hélium|He]])
* <math>i=5</math> pour un gaz diatomique (par exemple [[Dioxygène|{{O2}}]] ou [[Diazote|N<sub>2</sub>]])
* <math>i=6</math> pour un gaz triatomique ou plus (par exemple [[dioxyde de carbone|CO<sub>2</sub>]])

Cette énergie peut être récupérée par [[Compression et détente adiabatique|décompression adiabatique]], c'est-à-dire sans transfert thermique avec l'environnement.

Dans le cas d'une décompression isotherme, c'est-à-dire à température constante, on peut récupérer plus d'énergie, car une partie vient de l'environnement sous forme de chaleur. Dans ce cas, l'énergie récupérée vaut :
:<math>E = \ln(P_2 / P_1) \cdot P \cdot V</math>
où :
:<math>\displaystyle P_2</math> désigne la pression avant décompression et <math>\displaystyle P_1</math> après décompression,
:<math>P \cdot V</math> étant constant, on peut prendre <math>P_2 \cdot V_2</math>, avant décompression ou <math>P_1 \cdot V_1</math> après décompression.

Par exemple, l'énergie contenue dans {{unité|300|litres}} d'air (<math>\scriptstyle{0,3 \;m^3}</math>) à {{unité|300 bars}} <math>\scriptstyle(\; 3 \cdot 10^7 \;[N/m^2]\; )</math> vaut :
<math>\scriptstyle E \;=\; \frac{5}{2} \cdot 3 \cdot 10^7 \cdot 0,3 \;=\; 23 \;[MJ]</math>, soit {{unité|6.3|kWh}}.

Ceci correspond à l'énergie contenue dans {{unité|0,5 kg}} d'essence, soit {{unité|0.69|litres}} d'essence.

Si la décompression est [[Processus isotherme|isotherme]] : <math>\scriptstyle {E \;=\; \ln(300/1) \cdot 3 \cdot 10^7 \cdot 0,3 \;=\; 51,3 \;[MJ]}</math>, soit {{unité|14,2|kWh}}.

Ceci correspond à l'énergie contenue dans {{unité|1.14|kg}} d'essence, soit {{unité|1.6|litre}} d'essence<ref>''Physique'' de Eugene Hecht, {{1re}} Édition, {{4e|tirage}} 2004, {{ISBN|2-7445-0018-6}}. Chapitre 16, section 16.1 formule 16.6 combinée avec la loi des gaz parfaits. Exercice 60 du chapitre 16.</ref>.

Il s'agit là du pouvoir calorifique de l'essence, l’énergie mécanique susceptible d’être fournie par un carburant est d'environ 1/3 de son [[Pouvoir calorifique inférieur|PCI]]. 

==== Justification ====
On justifie les résultats ci-dessus par des calculs thermodynamiques.

Lors d'une décompression [[Processus isentropique|isentropique]], par exemple [[réversibilité thermodynamique|réversible]] et sans échange thermique avec le milieu ambiant, la relation entre la pression et le volume est : {{nobr|1=<math>P\,V^\gamma</math> =}} constante où :
* <math>\gamma=5/3</math> pour un [[gaz monoatomique]] ou un mélange de gaz monoatomiques ;
* <math>\gamma=7/5</math> pour un gaz ou mélange essentiellement diatomique comme l'air ;
* <math>\gamma=8/6\ (=4/3)</math> pour un gaz triatomique{{note| groupe=alpha|<math>\gamma=\frac{n+2}n</math> où {{mvar|n}} est le nombre de [[degré de liberté (physique et chimie)|degrés de liberté]] des [[molécule]]s du gaz : respectivement 3, 5 et 6 pour les molécules mono-, di- et triatomiques.}}.

Dans le cas d'une décompression isotherme, <math>\gamma=1</math>.
 
L'énergie lors de la décompression adiabatique se calcule par intégration de <math>V_1</math> à <math>V_2</math> de
<math>P\,\mathrm dV</math> donc de <math>\frac{\mathrm dV}{V^\gamma}</math>.

Dans le cas adiabatique, on considère que le volume <math>V_1</math> après décompression est très grand et donc <math>1/V_1</math> est nul. Ces intégrations donnent les formules énoncées ci-dessus.

=== Efficacité énergétique d'un moteur à air comprimé ===
{{Section à sourcer|date=juillet 2019}}

Un moteur à [[air comprimé]] utilise le principe de la [[détente (thermodynamique)|détente]] d'un gaz, comme dans la partie détente d'une [[Réfrigération|machine frigorifique]]. Comme celle-ci, il peut théoriquement avoir une [[Efficacité énergétique (thermodynamique)|efficacité énergétique]] supérieure à 100 %.

En effet, l'efficacité énergétique est le rapport entre l'énergie (mécanique) restituée par le moteur et l'énergie fournie par le réservoir d'air. Or dans une [[Processus isotherme|détente isotherme]], de l'énergie thermique ambiante vient s'ajouter à l'énergie du réservoir, pour réchauffer le gaz qui se refroidit lors des détentes successives, ce qui explique que l'énergie mécanique résultante peut être supérieure à l'énergie initiale du réservoir, dans des conditions proches de l'idéal.

C'est donc exactement l'effet inverse d'un moteur thermique, dans lequel la compression de l'air est obtenue par une combustion interne au moteur : la température plus haute que la température ambiante entraîne un transfert important d'énergie thermique vers l'extérieur. Par exemple, pour le [[cycle de Carnot]], l'efficacité de Carnot entre {{unité|300 et 900 K}} est de 1−(300/900) soit 2/3, signifiant 1/3 de pertes thermodynamiques dans le cas idéal.

On voit dans les calculs précédents sur l'énergie pneumatique et dans le cas du [[processus isotherme]] idéal, que l'énergie maximale produite peut être de {{unité|14.2|kWh}}, alors que l'énergie fournie en entrée du système, soit l'énergie contenue dans le réservoir calculée par le [[processus adiabatique]], est de {{unité|6.3|kWh}}. On en déduit une [[Efficacité énergétique (thermodynamique)|efficacité énergétique]] théorique maximale de 225 % (car 14,2/6,3 = 2,25). L'énergie thermique (gratuite) captable dans l'environnement dans le cas théorique idéal représente 125 % de l'énergie mise dans le réservoir, et s'ajoute à celle-ci.

Il faudrait certes un moteur parfait pour restituer cela, mais il suffirait de fabriquer un moteur ayant moins de 48 % de pertes internes, pour arriver à une [[Efficacité énergétique (thermodynamique)|efficacité énergétique]] réelle dépassant 100 %, ce qui serait mieux que tous les autres systèmes moteurs connus.

Cependant, le problème inverse se produit lors de la compression du gaz (chaleur nécessairement produite à évacuer). Toutefois on peut imaginer utiliser cette chaleur obtenue à la compression pour chauffer un bâtiment ou l'eau sanitaire ([[cogénération]]). On sait que les machines frigorifiques basées sur un cycle compression/stockage/décompression d'un fluide sont capables d'atteindre des efficacités énergétiques de l'ordre de 300 % (COP ou [[coefficient de performance]] de 3). La [[conservation de l'énergie]] est respectée parce que l'énergie gagnée est absorbée depuis l'environnement ambiant, d'où l'expression ''[[pompe à chaleur]]''.

Certains prétendent qu'un cycle compression/stockage/décompression est moins efficace qu'un cycle génération/batterie/moteur électrique mais ils oublient souvent de prendre en compte les pertes lors du chargement et du déchargement de la batterie (entre 65 et 83 % d'efficacité pour une batterie à circulation d’[[électrolyte]] par exemple<ref>{{Lien web|langue=|titre=Efficacité énergétiques des batteries à circulation d'électrolyte, page 37|url=https://www.electrosuisse.ch/uploads/media/1210_Seite_035-039.pdf|site=|périodique=|date=|consulté le=26 juin 2019}}</ref> ), ainsi que des pertes lors de la non utilisation de la batterie.

== Classification par fonction ==
Les systèmes pneumatiques utilisent quatre fonctions principales :
* compression ;
* transport ;
* stockage, avec charge et décharge ;
* moteur ou [[actionneur]].

Des composants supplémentaires vont être utilisés dans les systèmes :
* vanne ;
* échangeur thermique ;
* détendeur ou régulateur de pression ;
* régulateur de débit ;
* [[clapet anti-retour]] ;
* filtres ;
* capteurs pour les mesures de paramètres.

Si la modularité (1 matériel = 1 fonction) est toujours recherchée pour la simplification de la conception et la standardisation de la production, certains matériels peuvent combiner plusieurs fonctions pour des raisons d'optimisation.

== Classification par utilisation ==
Les systèmes pneumatiques sont utilisés dans tous les domaines de la vie quotidienne occidentale :
* amortisseurs ;
* accumulateurs pour les systèmes hydrauliques, accumulateurs pour la génération d'électricité ;
* armes à feu, [[Arme à air comprimé|armes à air comprimé]] ;
* automatisation de machines-outils ;
* avions ;
* instruments de musique à vent ;
* machines frigorifiques, qui utilisent un gaz compressible sur toute une partie du cycle de fonctionnement ;
* moteurs à vapeur, turbines à vapeur, moteurs à combustion interne, outils à air comprimé, moteurs à air comprimé, [[Turbine à gaz|turbines à gaz]], réacteurs, éoliennes ;
* [[Tube pneumatique|postes pneumatiques]] ;
* système respiratoire.

Sans oublier la Terre, dont l'atmosphère est le plus complexe système pneumatique existant.

== Classification par niveau de pression ==
* De quelques mbar à 1 [[Bar (unité)|bar]] : domaine de la régulation, de la fluidique.
* De 1 à 10 bars : domaine de la commande, de la puissance (usage courant).
* De 20 à 40 bars : domaine de la navigation (démarrage diesel).
* De 150 à 250 bars : stockage en bouteilles pour la plongée, avec de l'air où des mélanges spécifiques.
* De 200 à 500 bars : pression pour les systèmes de grande puissance (avions de chasse{{etc.}}).

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références| groupe=alpha}}

=== Références ===
{{Références}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Air comprimé]]
* [[Moteur à air comprimé]]
* [[Architecture des moteurs à pistons]]
* [[Enairys Powertech|Système pour stocker l'énergie sous forme d'air comprimé]]

=== Liens externes ===
* [http://www.cndp.fr/archivage/valid/39301/39301-5268-5091.pdf Guide de dimensionnement des vérins pneumatiques] {{pdf}}
* [http://www.impactrm.com/fr/glossary.asp Glossaire des termes associés à l'air comprimé]
* [http://www.acs-nantes.com Accessoires pneumatiques]

{{Portail|physique|énergie}}

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[[Catégorie:Génie énergétique]]
[[Catégorie:Grandeur thermodynamique]]