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Thermodynamique industrielle Badr OUHAMMOU Ecole Nationale des Sciences Appliqu

Thermodynamique industrielle Badr OUHAMMOU Ecole Nationale des Sciences Appliquées -FES Partie I: Rappels et Généralités de thermodynamique Systèmes thermodynamiques Équilibre thermodynamique Variables thermodynamiques Transformations thermodynamiques Travail échangé au cours d’une transformation Premier principe de la thermodynamique Deuxième principe de la thermodynamique Sommaire (1/2) Introduction Moteurs alternatifs à combustion interne Moteurs alternatifs Cycle de BEAU DE ROCHAS Cycle DIESEL Moteurs à flux continu (Rotatifs) :  Turbine à gaz  Cycles de Rankine  Cycle de Hirn Cycles récepteurs Machines frigorifiques Pompe à Chaleur Partie II: Machines Thermiques et Applications Sommaire (2/2) Partie I: Rappels et Généralités de thermodynamique Définition: Un Système est une partie de l’univers constitué par des éléments que l’on veut étudier. Lorsqu’on parle de Système, on isole ces éléments par la pensée du reste de l’univers qui est appelé milieu extérieur.Système milieu extérieur Systèmes thermodynamiques Un système thermodynamique est dit : ⊲Isolé : s’il n’échange avec le milieu extérieur ni énergie ni matière. ⊲Fermé : s’il ne peut échanger avec le milieu extérieur que de l’énergie. ⊲Ouvert : s’il échange de la matière avec le milieu extérieur . ⊲Homogène : si toutes les variables thermodynamiques varient de manière continues. ⊲Hétérogène : certains paramètres varient de manière discontinus (exemple : eau + glace :variation de la masse volumique ρ). Un système est en équilibre thermodynamique si on a : ⊲Équilibre mécanique ⊲Équilibre thermique :(T = cte) ⊲Équilibre chimique : la composition chimique du système ne varie pas (le potentiel chimique µ = cte) Équilibre thermodynamique Remarque L’équilibre thermodynamique est un état dans lequel toutes les variables d’état sont constantes dans le temps :L’équilibre thermodynamique est un état stationnaire. Variables extensives Variables intensives dépendent de la quantité de matière présente ne dépendent pas de la quantité de matière présente • volume, • masse, • capacité calorifique, • … • Température, • pression, • viscosité, • … Ce sont des grandeurs qui définissent l’état d’un système Variables ou grandeurs d’état On appelle variable d’état toute grandeur (scalaire ou vectorielle ) qui caractérise une propriété macroscopique du système.(P, V, T, N, · · · ) Les transformations thermodynamiques Transformation « isobare » La pression du système reste constante lors de la transformation. Transformation « isochore » Le volume du système reste constant lors de la transformation. Transformation « isotherme » La température du système reste constante lors de la transformation. Transformation « adiabatique » Aucune chaleur n’est échangée avec l’extérieur (transformation rapide et/ou calorifugée) Les transformations réelles, généralement complexes, peuvent se décomposées en une succession de transformations élémentaires : Remarque: Au cours d’une transformation, les caractéristiques susceptibles d’être variés sont : Le volume V(m3 ) La pression P(N/m 2 ) La température T(K) L’intérêt de ces transformations : Expression simple de W, ou de Q, ou de W+Q. Transformation réversible : C’est une transformation au cours de laquelle le système passe successivement par une infinité d’états intermédiaires constituant chacun un état d’équilibre : Psystème = Pext. Au cours d’une transformation réversible, on peut faire revenir à chaque instant, le système à son état initial. Transformation irréversible : Les transformations réelles sont, par leur nature même irréversibles, Cette irréversibilité est dûe au fait que les états successifs par les quels passe un système sont des états hors équilibre. Les transformations thermodynamiques Travail échangé par un système :travail des forces de pression C’est un échange d’énergie d’origine macroscopique, résulte du déplacement macroscopique du point d’application d’une force macroscopique. On définit le travail élémentaire d’une force : Travail des forces de pression :Soit un ﬂuide qui subit une transformation élémentaire qui mène son volume de v à v+dv Si dv < 0 ⇒δW ext > 0 :(compression). le système reçoit du travail du milieu extérieur Si dv > 0 ⇒δW ext < 0 :(détente). le système cède du travail au milieu extérieur 0     dOM F W ext 0)) (dv diminue volume dV(le      ext ext ext P dx S P W dOM F W ext    dV P W ext ext    Récapitulatifs: Travail échangé au cours d’une transformation L’expression du travail échangé au cours d’une transformation de l’état 1 à l’état 2 est : Transformation Isochore Transformation réversible isotherme : Transformation Isobare Au cours de laquelle la température reste constante T=cte d’où PV = cte = P 1 V 1 = P 2 V 2 = n.R.T P= P 1 V 1 ⁄ V = P 2 V 2 ⁄ V W 12 = - P 1 V 1 ∫ ( dV ⁄ V) Transformation adiabatique On admet pour le moment qu’une transformation est adiabatique que PVγ= cte   2 1 12 dV P W ext 0  isochore W ) ( i f ext isobare V V P W              1 2 1 1 12 V V Ln V P W ) ( ) ( 1 ) ( 1 1 i f v i f i i f f ad T T C T T nR V P V P W           La chaleur est une forme spéciale de l’énergie : C’est une énergie exprimée en [J] ou en k [ cal]. Elle est échangée à l’échelle microscopique sous forme désordonnée par agitation moléculaire (c’est-à-dire par choc entre les molécules en mouvement. Elle s’écoule toujours d’une source chaude vers une source froide. La chaleur n’est pas une fonction d’état, c'est-à-dire dépend du chemin suivi. La Chaleur (Q) 1. Chaleur sensible Elle est liée à une variation de température (∆T) du système à la suite d’un réchauffement ou d’un refroidissement de ce dernier. mCdT dQ  nCdT dQ  Ou 2. Chaleur latente La quantité de chaleur latente est la chaleur nécessaire pour qu’une quantité de matière puisse changer son état physique à une température constante. La Chaleur (Q) Pour chaque type de matière, il existe trois types de chaleurs latentes liées aux six changements d’état physiques (Ls , Lv et Lf ). Ls , Lv ou Lf : est la chaleur massique ou molaire associée respectivement à une sublimation, vaporisation ou fusion. Différents types de transformations d’états physiques de matière ou nL Q mL Q   Energie interne et premier principe de la thermodynamique L’énergie interne Que le système soit solide, liquide ou gazeux, les particules (atomes ou molécules) qui le constituent sont toujours animées de vibrations dans le cas des solides ou de mouvements désordonnés pour les liquides ou les gaz. A ces mouvements microscopiques est associée l'énergie cinétique Uc de l’ensemble des particules. De plus, entre ces particules (atomes ou molécules) peuvent exister des forces d'interaction (attraction et répulsion) auxquelles on associe une énergie potentielle d’interaction Up. Definition L’énergie interne d’un système est égale à la somme des énergies de toutes les particules le constituant : U = Uc + Up Remarque L’énergie totale E, du système, est la somme : E = Ec + Ep + U Ec est l’énergie cinétique macroscopique due au mouvement d’ensemble du système sous l’effet des forces extérieures. Ep est l’énergie potentielle provenant des forces extérieures : forces de pesanteur, forces électromagnétiques,… Energie interne et premier principe de la thermodynamique Énoncé: La somme algébrique du travail W et de la chaleur Q échangés par un système fermé avec le milieu extérieur, au cours d’une transformation, est égale à la variation U2-U1 de son énergieinterne. ΔU = U2-U1 = W + Q Etat 1 Etat 2 P V Remarque: Cette variation est indépendante de la nature des transformations (c.à.d. du chemin suivi). Elle ne dépend que de l’état initial (1) et de l’état final (2). Il en résulte que: U est une fonction d’état. Energie interne et premier principe de la thermodynamique Expression différentielle du premier Principe : Pour une transformation, entre deux états d’équilibre infiniment proches le premier principe s’écrit : dU = W + Q Cas d’un système isolé : La variation de l’énergie interne d’un système isolé est NULLE ΔU = U2-U1 = 0 car W=0 et Q=0. l’énergie interne d’un système isolé est constante. Energie interne et premier principe de la thermodynamique Cas des transformations particulières : a) Transformation cyclique: V P Dans le cas d’un cycle, L’état initial et l’état final sont identiques: U = UA – UA = 0 EtatA Expression différentielle du premier Principe b) Transformation isochore réversible: Etat 1 V P Etat 2 v dU Qv PdV Qv dU dQv U Q dU Q W Dans ce cas: V= cte et Pext =P Puisque: Alors: Expression différentielle du premier Principe c) Transformation adiabatique réversible: Dans ce cas: Q= 0 (Transf. adiabatique) Pext = P (Transf.Réversible) Ainsi dU Q W W PdV dW V 2 U PdV W V1 Expression différentielle du premier Principe d) Transformation isobare réversible: d U Q  WC pdTP e x tdV C pdTP d V T2  U C pdT P 1 2(V 2V 1) T1 P Etat 1 Etat 2 V1 V2 V Si Cp est uploads/Geographie/ cours-de-la-thermodynamiques-industrielle-c.pdf