Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

COURS DE THERMODYNAMIQUE APPLIQUÉE Master 1 Génie Chimique Département de Génie

COURS DE THERMODYNAMIQUE APPLIQUÉE Master 1 Génie Chimique Département de Génie des Procédés Faculté Sciences et de la Technologie Université de Mostaganem Dr. Saidj RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 2 INTRODUCTION La thermodynamique appliquée est la partie pratique de la thermodynamique classique. Elle nous permet d’utiliser les grands principes de transformation de l’énergie en travail et leur mise en pratique, notamment par intermédiaire de cycles thermodynamiques et d’optimiser ainsi les systèmes énergétiques pour économiser les ressources de notre planète. Elle est présente dans un très grand nombre de situations, que ce soit dans le domaine de la mécanique, celui de la physique, de l'énergétique ou de la chimie. Elle permet de décrire les évolutions temporelles des systèmes thermodynamiques aussi divers que des moteurs ou des corps en réactions chimiques, voire même des êtres vivants, en relation avec leurs échanges de matière et d’énergie avec l’environnement. C’est la science qui a donnée la naissance à la révolution industrielle en XIXe siècle en appliquant les principes de la thermodynamique d’une façon technique dans le domaine de mécanique par l'innovation de la machine thermique ainsi que d’une façon inverse en produisant du froid. Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 3 CONTENU 1. Les propriétés des corps pures 2. L’énergie dans les systèmes ouverts 3. Le deuxième principe de la thermodynamique 4. L’entropie 5. Les turbines de puissance à gaz 6. Les machines à vapeur 7. Le froid Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 4 OBJECTIFS DU CHAPITRE Définir le concept de corps pur Discuter la physique des changements de phase Illustrer les diagrammes P-v, T-v et P-T. Apprendre à utiliser les tables thermodynamiques Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 5 1. LES PROPRIÉTÉS DES CORPS PURES Le système thermodynamique peut se composer d’un corps pur ou de plusieurs constituants. Le corps pur est de composition chimique homogène et stable. Une phase est définie comme quantité de matière physiquement homogène Chaque constituant peut apparaitre dans plusieurs phases. Ex. L’eau se présente selon les conditions de pression et de température sous divers états ou phases: solide, liquide ou gaz (vapeur) Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 6 LES VARIABLES D’ÉTAT L’état d’un système thermodynamique est décrit par un ensemble des variables thermodynamiques, appelées variables d’état. Variables extensives: elles dépendent de la quantité de matière du système et satisfont à la propriété d’additivité ex.: m, V, U, G, S. Variables intensives sont des fonctions de point dans le volume du systèmes et ne varient pas si on multiple la quantité de matière du système ex. T, P Les variables spécifiques (massiques molaires ou volumiques) sont des variables intensives ex. v, u, s, h, cv , cp, µ (potentiel chimique). Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 7 RÈGLE DES PHASES DE GIBBS (SANS RÉACTION CHIMIQUE) Règle des phases donne le nombre maximum de paramètres intensifs indépendants, appelé variance , qu’un opérateur peut fixer librement sans rompre l’équilibre physique d’un système thermodynamique. v = c + 2 - ɸ v: variance; c: nb. de constituants ; ɸ : nb. de phases Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 8 CHANGEMENTS DE PHASE D’UNE SUBSTANCE PURE Le passage d’une phase à une autre s’appelle changement de phase qui s’accompagne pour un corps pur d’un échange de chaleur (latente) sans variation de température et de pression. Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 9 DIAGRAMME DE PHASES Pression de saturation: P à laquelle se produit un changement de phase pour une température donnée Température de saturation: T à laquelle se produit un changement de phase pour une pression donnée Le point triple d’un corps pur est l’unique T et l’unique P pour lesquelles le corps pur se trouve dans les trois phases. Le point critique d’un corps pur est l’unique P et T au-delà desquelles il n’y a plus de distinction possible entre le liquide et le gaz (fluide supercritique). Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 10 CHANGEMENT D’ÉTAT DE L’EAU À P=1 ATM Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 11 DIAGRAMME T-V DE L’EAU Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 12 DIAGRAMME P-V Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 13 DIAGRAMME T-V Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 14 SURFACE P-V-T D’UNE SUBSTANCE QUI SE CONTRACTE DURANT LA SOLIDIFICATION Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 15 THÉORÈME DES MOMENTS •Soit M le point représentatif d’un •corps pur, L et V les points situés •sur les courbes d’ébullition et de •rosée à la même pression. •m*v= m L*v L + m v *vv • v = (mL /m)*vL + (mv /m)* vv • v = (xL)*vL + (xv)* vv •xL ,xv: Titres massiques en liquide et en vapeur •v = (1- xv)*vL + xv*vv •x v= LM/LV et xL = MV/LV Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 16 CALCUL DES CARACTÉRISTIQUES GLOBALES D’UN MÉLANGE LIQUIDE-VAPEUR Calcul d’une caractéristique thermodynamique Y, qui peut être: v : volume massique u: énergie interne massique s: entropie massique h: enthalpie massique Titre x = massevap / masse tot y tot = x*yvap + (1-x)*yliq Ou bien ytot= yliq+x*(yvap-yliq) x=(ytot -yliq)/(yvap-yliq) Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 17 TABLES THERMODYNAMIQUES Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 18 L’ÉQUATION D’ÉTAT D’UN GAZ PARFAIT Si les tables thermodynamiques d’un fluide sont disponibles; il est fortement recommandé de les utiliser. Toutefois, dans certaines situations, il peut être plus pratique de travailler avec des relations algébriques entre les variables thermodynamique. Il existe plusieurs équations d’état, certaines simples, d’autres complexes, la plus connue et la plus simple est l’équation d’état d’un gaz parfait. Un gaz parfait est un gaz imaginaire qui obéit à la relation Pv = rT. Cette relation décrit bien le comportement P-v-T des gaz réels à basse pression et à haute température. P: pression kPa T: température absolue K v :le volume massique (m3/kg) r =R/M molaire constante propre du gaz (kJ/kg.K) Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 19 RÉSUMÉ Un corps pur est une substance dont la composition chimique est homogène et stable Un corps pur peut se présenter dans différents phases: solide, liquide et gazeuse Un corps liquide qui n’est pas sur le point de s’évaporer est un liquide comprimé ou sous-refroidi Une substance gazeuse qui n’est pas sur le point de se condenser est une vapeur surchauffée Durant un changement de phase, la pression et la température sont des variables thermodynamiques dépendantes La température de saturation est la température à laquelle une substance change de phase sous une pression donnée La pression de saturation est la pression à laquelle une substance change de phase sous une température donnée Durant l’ébullition, une substance se présente sous la forme d’un mélange liquide-vapeur. Dans cet état, le liquide est appelé « liquide saturé » et la vapeur, « vapeur saturée » Dans un mélange liquide-vapeur, le titre est défini x = mvapeur/mtotale Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 20 RÉSUMÉ SUITE La valeur du titre varie entre 0 (liquide saturé) et 1 (vapeur saturée). La notion de titre n’a aucun sens dans le cas du liquide comprimé ou de la vapeur surchauffée Dans un mélange liquide-vapeur saturé, la valeur moyenne d’une variable thermodynamique intensive y, est déterminée à l’aide de la relation y = yf+ x*yfg Si la table des variables thermodynamiques d’un liquide comprimé n’est pas disponible, alors on peut utiliser les variables du liquide saturé à la température donnée y ≈ yf,T Le point critique est le point ou les états du liquide saturé et de la vapeur saturée sont identiques Le point triple est le point ou une substance se présente simultanément sous forme solide; liquide et gazeuse Un équation d’état est une relation algébrique entre la pression, la température et le volume massique  L’équation d’état la plus simple et la plus utilisée est l’équation d’état des gaz parfaits qui est Pv = rT Cette relation s’applique aux gaz réels à basse pression et à haute température Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 21 uploads/Industriel/ cours-de-thermodynamique-appliquee-1-2.pdf