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PROPRI PROPRIÉ ÉT TÉ ÉS DES S DES SUBSTANCES PURES SUBSTANCES PURES (Chapitre 3

PROPRI PROPRIÉ ÉT TÉ ÉS DES S DES SUBSTANCES PURES SUBSTANCES PURES (Chapitre 3) (Chapitre 3) (Quiz no. 4) (Quiz no. 4) ( (Thermodynamique, une approche pragmatique Thermodynamique, une approche pragmatique, Y. , Y. Ç Çengel engel, , M.A. M.A. Boles Boles, M. Lacroix, , M. Lacroix, Cheneli Cheneliè ère re- -McGraw McGraw- -Hill Hill, 2008) , 2008) (lecture obligatoire pour Quiz no. 4: pages 95 (lecture obligatoire pour Quiz no. 4: pages 95 à à 117) 117) Marcel Lacroix Marcel Lacroix Universit Université é de Sherbrooke de Sherbrooke Mots cl Mots clé és s • Substance pure • Phases: solide, liquide et gaz • Liquide comprimé, liquide saturé, mélange saturé, vapeur saturée, vapeur surchauffée (eau, réfrigérant R-134a) • Diagrammes de phase • Tables de variables thermodynamiques • Gaz parfaits M. Lacroix Substances pures 3 OBJECTIFS OBJECTIFS • Définir les propriétés de substances pures. • Comprendre et utiliser les tables de vapeur d’eau. M. Lacroix Substances pures 4 SUBSTANCE PURE: D SUBSTANCE PURE: DÉ ÉFINITION FINITION • Composition chimique stable et homogène. • Peut exister sous différentes phases mais sa composition chimique est la même dans chaque phase (solide,liquide,gaz). SOLIDE LIQUIDE GAZ M. Lacroix Substances pures 5 VARIABLES THERMODYNAMIQUES VARIABLES THERMODYNAMIQUES • L’état d’un système thermodynamique est décrit par ses variables thermodynamiques. • Pour les substances compressibles comme l’eau, les réfrigérants et l’air, deux variables indépendantes sont suffisantes pour décrire l’état du système. • Les variables sont déterminées à l’aide de: -tables (substances compressibles) -équation d’état (gaz) -tableau (solide). 6 CHANGEMENT DE PHASE LIQUIDE CHANGEMENT DE PHASE LIQUIDE- -GAZ GAZ LIQUIDE SOUS REFROIDI LIQUIDE SATURÉ (x=0) MÉLANGE LIQUIDE/VAPEUR SATURÉ (0<x<1) VAPEUR SATURÉE (x=1) VAPEUR SURCHAUFFÉE 7 Diagramme Diagramme T T- -v v 8 Diagramme Diagramme T T- -v v M. Lacroix Substances pures 9 Courbe de saturation d Courbe de saturation d’ ’une substance pure une substance pure ) ( sat sat T f P = M. Lacroix Substances pures 10 Effet de la pression atmosph Effet de la pression atmosphé érique rique sur les syst sur les systè èmes mes 11 Diagramme P Diagramme P- -v v Eau: liquide comprimé. Psat=476 kPa à 1500C 12 Diagramme P Diagramme P- -v v (avec phase solide): (avec phase solide): contraction lors de la solidification contraction lors de la solidification 13 Diagramme P Diagramme P- -v v (avec phase solide): (avec phase solide): dilatation lors de la solidification (eau) dilatation lors de la solidification (eau) 14 Diagramme P Diagramme P- -T T 15 M. Lacroix Substances pures 16 VARIABLES THERMODYNAMIQUES VARIABLES THERMODYNAMIQUES D D’ ’UNE SUBSTANCE PURE UNE SUBSTANCE PURE 1. Volume massique: (m3/kg) 2. Énergie interne: (kJ/kg) 3. Enthalpie: (kJ/kg) 4. Entropie: (kJ/kg K) ν u ν p u h + = s M. Lacroix Substances pures 17 É ÉNERGIE INTERNE (kJ/kg) NERGIE INTERNE (kJ/kg) Énergie interne = somme de toutes les formes d’énergie à l’échelle microscopique: 1. Énergie sensible: vibration, rotation et translation moléculaire. 2. Énergie latente: changement de phase de la substance. 3. Énergie chimique: liaisons entre les atomes différents. 4. Énergie nucléaire : liaisons entre les nucléons. u M. Lacroix Substances pures 18 ENTHALPIE (kJ/kg) ENTHALPIE (kJ/kg) • L’enthalpie est définie comme: • Variable rencontrée fréquemment dans les systèmes mettant en jeu des écoulements. h pv u h + = (kPa) (m3/kg) (kJ/kg) M. Lacroix Substances pures 19 ENTROPIE (kJ/ ENTROPIE (kJ/kgK kgK) ) • Entropie: mesure du désordre d’un système à l’échelle microscopique. • Variable qui découle naturellement de la 2ème loi de la thermodynamique. • Variable fort utile dans le calcul des évolutions de diverses machines thermiques (moteurs, turbines, pompes, compresseurs, etc.). s M. Lacroix Substances pures 20 EXEMPLE: EXEMPLE: TABLES THERMODYNAMIQUES TABLES THERMODYNAMIQUES DE L DE L’ ’EAU EAU M. Lacroix Substances pures 21 É État d tat d’ ’une substance pure une substance pure à à saturation saturation (Eau: Tables A4 et A5) (Eau: Tables A4 et A5) • La pression et la température ne sont pas indépendantes. • Deux variables indépendantes telles la pression et le volume massique ou la pression et le titre sont requises pour déterminer l’état de saturation d’une substance pure. ) _ _ _ _ ( ) _ _ ( liquide de masse vapeur de masse vapeur de masse x + = TITRE: 1 0 ≤ ≤x M. Lacroix Substances pures 22 Variables de l Variables de l’ ’eau eau à à saturation: saturation: temp tempé érature connue rature connue Table A Table A- -4 4 f g x x φ φ φ ⋅ − + ⋅ = ) 1 ( M. Lacroix Substances pures 23 Vapeur d Vapeur d’ ’eau eau à à saturation: temp saturation: tempé érature A rature A- -4 4 M. Lacroix Substances pures 24 Vapeur d Vapeur d’ ’eau eau à à saturation: pression A saturation: pression A- -5 5 M. Lacroix Substances pures 25 Vapeur surchauff Vapeur surchauffé ée A e A- -6 6 M. Lacroix Substances pures 26 Liquide comprim Liquide comprimé é A A- -7 7 M. Lacroix Substances pures 27 Liquide comprim Liquide comprimé é • Table A-7 • Sinon ); ( ; ; ; , , , , , , T sat T f T f T f T f T f P P v h h s s u u v v − + ≈ ≈ ≈ ≈ M. Lacroix Substances pures 28 TABLES THERMODYNAMIQUES TABLES THERMODYNAMIQUES • Tables thermodynamiques disponibles pour d’autres fluides (ex: fluide frigorigène R134a). • Recommandation: si des tables existent pour un fluide, UTILISEZ LES! M. Lacroix Substances pures 29 INTERPOLATION LIN INTERPOLATION LINÉ ÉAIRE AIRE • Quel est le volume massique de la vapeur surchauffée à 1,0 MPa et 2200C? kg m C T T T T / 21671 . 0 ) 220 ( 20602 . 0 23275 . 0 20602 . 0 200 250 200 220 3 0 1 2 1 1 2 1 = ⇒ − − = − − ⇒ − − = − − ν ν ν ν ν ν Température(0C) Volume massique(m3/kg) 200 0,20602 250 0,23275 M. Lacroix Substances pures 30 É ÉQUATION D QUATION D’É ’ÉTAT GAZ PARFAIT TAT GAZ PARFAIT • Alternative aux tables pour relier la pression, la température et le volume massique. • Équation d’état la plus simple. T R P = ν (kPa) (m3/kmole) (8,314 kJ/kmoleK) (K) RT P = ν (kPa) (m3/kg) (kJ/kgK) (K) M R R = Masse molaire (kg/kmole) AIR M=28,97 kg/kmole; R=0,287 kJ/kgK 31 M. Lacroix Substances pures 32 POINTS CRITIQUES POINTS CRITIQUES SUBSTANCE TEMPÉRATURE (K) PRESSION (kPa) Air 133 3 770 Dioxyde de carbone 304 7 390 R-134a 374 4 059 Eau 647 22 060 M. Lacroix Substances pures 33 FACTEUR DE COMPRESSIBILIT FACTEUR DE COMPRESSIBILITÉ É RT Pv Z = cr r cr r T T T P P P = = M. Lacroix Substances pures 34 FACTEUR DE COMPRESSIBILIT FACTEUR DE COMPRESSIBILITÉ É: : CONCLUSIONS CONCLUSIONS • À basses pressions, , les gaz se comportent comme des gaz parfaits peu importe la température. • À hautes températures, , les gaz se comportent comme des gaz parfaits peu importe la pression. • L’écart avec la loi des gaz parfait est maximal au voisinage de la pression critique. 1 << r P 2 > r T M. Lacroix Substances pures 35 FACTEUR DE COMPRESSIBILIT FACTEUR DE COMPRESSIBILITÉ É: : CORRECTION CORRECTION À À LA LOI DES GAZ LA LOI DES GAZ PARFAITS PARFAITS ZRT P = ν (kPa) (m3/kg) (kJ/kgK) (K) parfait corrigé Z ν ν = où M. Lacroix Substances pures 36 Gaz parfait vs gaz r Gaz parfait vs gaz ré éel el M. Lacroix Substances pures 37 PEUT PEUT- -ON CONSID ON CONSIDÉ ÉRER LA VAPEUR D RER LA VAPEUR D’ ’EAU EAU COMME UN GAZ PARFAIT? COMME UN GAZ PARFAIT? • À des pressions inférieures à 10kPa, la vapeur d’eau peut être considérée comme un gaz parfait. • Air climatisé: La vapeur d’eau peut être considérée comme un gaz parfait. Dans ces applications, la pression de la vapeur d’eau demeure inférieure à 10 kPa. • Cycles de vapeur: Les pressions en jeu sont beaucoup plus élevées que 10 kPa. Dans ce cas, les Tables thermodynamiques sont utilisées. M. Lacroix Substances pures 38 Vapeur d’eau, un gaz parfait pour des pressions inférieures à 10 kPa. M. Lacroix Substances pures 39 EXERCICES SUGG EXERCICES SUGGÉ ÉR RÉ ÉS S Chapitre 3, THERMODYNAMIQUE, une approche pragmatique, Y.A. Çengel, M.A. Boles et M. Lacroix, Chenelière-McGraw-Hill, 2008. Les exercices dont le numéro est suivi de la lettre ‘C’ et les exercices numéro 3.25, 3.26, 3.27, 3.28, 3.32, 3.44, 3.45, 3.55, 3.76, 3.77 uploads/Litterature/ chapitre-3 1 .pdf