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Automne 2013 Etienne Robert D’après les notes de cours de Pr. Huu Duc Vo MEC121

Automne 2013 Etienne Robert D’après les notes de cours de Pr. Huu Duc Vo MEC1210 - THERMODYNAMIQUE 2014-09-03 1 MEC1210 - Thermodynamique AUJOURD’HUI - INTRODUCTION 2014-09-03 2 Présentations : Etienne Robert Bureau C-318.11 Téléphone (514) 340-4711, #4154 Courriel etienne.robert@polymtl.ca Disponibilités http://goo.gl/DC9Np5 La thermodynamique : – C’est quoi – Exemples de systèmes thermodynamiques Le cours : – Plan de cours – Objectifs – Méthodologie MEC1210 - Thermodynamique Mon cheminement 2014-09-03 3 PRÉSENTATION 1998-2002 Baccalauréat, École Polytechnique de Montréal 2000-2005 Diplôme d’ingénieur (M.Sc), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) 2005-2008 Doctorat (EPFL), instabilités thermo-diffusives en combustion 2009 Postdoc, Depertment of energy technology, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm 2010-2013 Research associate, Department of mechanics, KTH 2013- Professeur adjoint, Département de mécanique, École Polytechnique de Montréal MEC1210 - Thermodynamique Mes intérêts en recherche • Mécanique des fluides • Combustion 4 PRÉSENTATION Oxidant Fuel 1 2 4 2 1 b) a) 3 3 U 1 3 2 200 mm 200 mm 20 to 80 mm 4 4 c) U Fuel Oxidant Stream x = xf Semi-permeable membrane x = 0 x = L MEC1210 - Thermodynamique 5 PRÉSENTATION a) b) c) q= 0.504 q= 0.475 q= 0.408 Mes intérêts en recherche • Mécanique des fluides • Combustion • Instabilités thermo-diffusives MEC1210 - Thermodynamique 6 PRÉSENTATION Mes intérêts en recherche • Mécanique des fluides • Combustion • Instabilités thermo-diffusives • Formation de la suie a) b) c) d) 1 μm 5 μm 200 nm 100 nm MEC1210 - Thermodynamique 7 PRÉSENTATION Mes intérêts en recherche • Mécanique des fluides • Combustion • Instabilités thermo-diffusives • Formation de la suie • Traitement des aérosols MEC1210 - Thermodynamique À propos de vous… • Établissement d’origine • Programme suivi précédemment • Programme à Polytechnique • Domaines d’intérêts en génie mécanique • Avez-vous déjà fait de la Thermodynamique? 8 PRÉSENTATION MEC1210 - Thermodynamique Thermodynamique • Étymologie è chaleur + mouvement • Définitions • Wikipedia: “Thermodynamics is the branch of natural science concerned with heat and its relation to other forms of energy and work.” • Çengel & Boles: “La science fondamentale de l’énergie” • Une science pour décrire les processus de transformation de l’énergie et de changement de propriétés de la matière. • Un outil d’ingénierie pour analyser/décrire la performance des systèmes comportant la production et la transformation de l’énergie. 9 INTRODUCTION MEC1210 - Thermodynamique 10 Exemple 1: Piston et cylindre piston chaleur gaz masse travail (soulèvement de la masse) piston chaleur fournie par introduction de vapeur surchauffée vapeur surchauffée vapeur refroidie H2O gravité QUELQUES EXEMPLES Exemple 2: Moteur à vapeur MEC1210 - Thermodynamique 11 QUELQUES EXEMPLES Exemple 3: Moteur à combustion interne Chapitre 1 – Au départ, le chaud et le froid 6 Section 1.1 – Quatre applications modernes de la thermodynamique Application 3 : Le moteur à combustion interne (ex. moteur 4 temps)      Ignition  MEC1210 - Thermodynamique 12 QUELQUES EXEMPLES Exemple 4: Centrale thermique/nucléaire chaudière Chaleur (combustion ou réaction nucléaire) turbine condenseur chaleur travail alternateur pompe MEC1210 - Thermodynamique 13 QUELQUES EXEMPLES Exemple 5: Pompes thermiques T4<Tfroid compresseur travail valve d’expansion T2>Tchaud chaleur chaleur 1 2 4 3 travail extérieur (Tfroid) intérieur (Tchaud) mur réfrigérateur pompe thermique chaleur chaleur compresseur Tube capillaire = valve d’expansion échangeur de chaleur échangeur de chaleur congélateur MEC1210 - Thermodynamique 14 QUELQUES EXEMPLES Exemple 6: Turboréacteur compresseur Chaleur (combustion) turbine chaleur travail air chaud à haute vitesse (énergie cinétique des gaz → poussée → travail) air à basse vitesse air à haute pression MEC1210 - Thermodynamique 15 QUELQUES EXEMPLES Exemple 7: Turbopropulseur et turbomoteur compresseur Chaleur (combustion) turbine chaleur travail hélice (poussée → travail) air à basse vitesse air à haute pression air chaud à basse vitesse turbopropulseur turbomoteur MEC1210 - Thermodynamique 16 PLAN DE COURS 1) Notions de base Systèmes, propriétés, évolution, énergie, travail, chaleur. 2) Premier principe de la thermodynamique (systèmes fermés) Bilan/conservation de l’énergie 3) Propriétés des corps purs, simples et compressibles 4) Premier principe de la thermodynamique (systèmes ouverts) Chaleur Q Travail W matière(s) entrante(s) (propriétés A) matière(s) sortante(s) (propriétés B) travail piston chaleur propriétés A piston propriétés B MEC1210 - Thermodynamique 17 PLAN DE COURS (SUITE) 5) Second principe de la thermodynamique Évolutions réversibles et irréversibles ex.: 6) Entropie Bilan d’entropie, rendement 7) Cycles thermodynamiques communs Centrales thermiques, réfrigération, turbines à gaz, moteurs à combustion interne (piston). 8) Mélanges non réactifs 90ºC 20ºC X m GAZ T gravité X X MEC1210 - Thermodynamique 18 CONTEXTE DU COURS chaudière eau liquide vapeur d’eau combustion vapeur d’eau eau liquide turbine condenseur chaleur travail carburant oxygène Transmission de chaleur, Dynamique des fluides Chimie Dynamique des fluides, Turbomachines Transmission de chaleur, Dynamique des fluides Thermodynamique : - premier cours de la chaîne thermo-fluide - concepts fondamentaux - point de vue global gaz brûlés MEC1210 - Thermodynamique 19 MÉTHODOLOGIE Enseignement: – Classe (3 hrs/semaine): théorie sur diapositives, certains développements et exemples au tableau – Périodes de travaux dirigés (TD) (2 hrs/semaine) – Périodes de projet (2 hrs/semaine) – Outil de travail (projet): logiciel EES – Heures de bureau: sondage http://goo.gl/DC9Np5 Évaluation: – Contrôle périodique (30%) (mardi, 21 octobre 2014, en soirée) – 2 mini-contrôles (voir calendrier du trimestre) (10%) – Travail de TD (10%) – Projet (15%) – Examen final (35%) MEC1210 - Thermodynamique • Y. Çengel, M. Boles et M. Lacroix, “Thermodynamique, une approche pragmatique,” Chenelière McGraw-Hill • Engines, Energy, and Entropy – A Thermodynamics Primer, John B. Fenn (2006), Global View Publishing • Thermodynamics – Concepts and Applications, Stephen R. Turns (2006), Cambridge University Press • Thermodynamique et énergétique, Lucien Borel, Presses Polytechniques Universitaires Romandes 20 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES MEC1210 - Thermodynamique 21 OÙ ON EN EST I) Introduction: définition et utilité de la thermodynamique II) Notions de base et définitions - système thermodynamique - propriété thermodynamique - état et évolution - unités de mesure - propriétés importantes des fluides III) 1er principe de la thermodynamique (systèmes fermés) IV) Propriétés des corps purs, simples et compressibles V) 1er principe de la thermodynamique (systèmes ouverts) VI) 2ème principe de la thermodynamique VII) Entropie VIII) Cycles thermodynamiques communs IX) Mélanges non réactifs heures 2,3 MEC1210 - Thermodynamique 22 NOTIONS DE BASE 1) Système thermodynamique: Une quantité de matière ou une région dans l’univers clairement identifiée par une frontière réelle ou imaginaire a) Environnement: tout ce qui est en dehors du système thermodynamique b) Frontière: surface fermée qui délimite le système et le sépare de l’environnement. Cette surface peut être fixe ou déformable. c) Univers: système+ environnement système frontière environnement MEC1210 - Thermodynamique 23 SYSTÈME THERMODYNAMIQUE d) Types de systèmes thermodynamiques i) Isolé: aucun échange de matière, de chaleur ou de travail avec l’environnement ii) Fermé: quantité de matière fixe, frontière imperméable à la masse, mais perméable à l’énergie (chaleur ou travail) iii) Ouvert: frontière perméable à la masse et l’énergie chaudière masse entrante (eau liquide) masse sortante (vapeur d’eau) énergie piston énergie (chaleur ou travail) gaz MEC1210 - Thermodynamique 24 NOTIONS DE BASE 2) Propriété thermodynamique Une caractéristique macroscopique quantifiable d’un système. exemples: pression, température, volume, masse, masse volumique, … a) Continuum: un modèle considérant la matière comme étant continue et homogène et non fait d’atomes ou de molécules distinctes. perspective macroscopique (thermodynamique classique) gaz perspective moleculaire propriétés P,V,T,… molécules MEC1210 - Thermodynamique 25 PROPRIÉTÉ THERMODYNAMIQUE b) 2 types de propriétés: i) propriété extensive: propriété qui dépend de la taille du système exemples: masse (M), volume (V) ii) propriété intensive: propriété indépendante de la taille du système exemples: pression (P), température (T) propriété spécifique = propriété extensive → propriété intensive (dénotée en lettre minuscule) masse exemples: volume spécifique (v)=V/M, masse volumique (densité) (ρ)=M/V=1/v M, V P,T P,T P,T volume de gaz volume de gaz M/2, V/2 M/2, V/2 MEC1210 - Thermodynamique 26 NOTIONS DE BASE 3) État et évolution: a) État: l’état d’un système thermodynamique est défini par la valeur de ses propriétés. note: les propriétés ne sont pas toutes indépendantes les unes des autres. Donc, un état peut être spécifié par un nombre défini (limité) de propriétés exemple: l’état d’un gaz parfait peut être spécifié par seulement deux propriétés car PV=nRT b) Équilibre thermodynamique: état stable où les propriétés du système ne changent pas avec le temps. Implique qu’à l’intérieur du système, il y a: - équilibre thermique (pas de changement de température avec temps) - équilibre mécanique (pas de changement de force/pression avec le temps) - équilibre chimique (pas de changement de concentration chimique avec le temps) MEC1210 - Thermodynamique 27 EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE c) Évolution: processus de changement (de propriété(s)) d’un système d’un équilibre thermodynamique à un autre i) Évolution quasi-statique : évolution passant par une succession d’équilibres thermodynamiques intermédiaires. propriété A propriété B état 1 état 2 gaz gaz compression très rapide Pb <Ph pression du système non uniforme compression lente pression uniforme Pression Volume état 1 état 2 peut définir pression du système exemple: compression d’un gaz par un piston MEC1210 - Thermodynamique 28 ÉVOLUTION note: l’évolution quasi-statique est souvent utilisée comme hypothèse pour modéliser les systèmes en thermodynamique - bonne approximation pour plusieurs processus - facilite l’analyse ii) cycle: évolution où le uploads/s1/ expose-thermo-mec1210 1 .pdf