[PDF] Diapositive 1 21 sept. 2020 Systèmes

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Chapitre 1 : notions de thermodynamique

ANF CNRS École de mécanique "Refroidissement des expériences : conception et instrumentation»

Centre Paul-Langevin à Aussois, 21 au 25 septembre 2020

Eric CONTE (IPHC / UHA)

ANF CNRS 21 au 25 septembre 2020 Aussois E. Conte

1.

2.Systèmes thermodynamiques

3.Propriétés thermodynamiques des fluides

4.Théorie des systèmes fermés

5.Théorie des systèmes ouverts

Plan du cours

Diapositive 2/ 74

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Thermodynamique

1. Exemples

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1. Exemples

Thermodynamique

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Mode co-courantMode contre-courant

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1. Exemples

Thermodynamique

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monoétagé) bielle manivelle piston clapet d'aspiration clapet de refoulement vilebrequin

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1. Exemples

Thermodynamique

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Le détendeur (plusieurs technologies)

Principe

détente de Joule-Thompson

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1. Exemples

Thermodynamique

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La machine frigorifique & la pompe à chaleur

Un fluide frigorigène subit des

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1. Exemples

Thermodynamique

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La machine frigorifique & la pompe à chaleur

Source chaude

TC

Source froide

TF processus endothermique pour extraire de la chaleur au milieu extérieur froid. processus exothermique pour rejeter la chaleur au milieu extérieur chaud. processus pour augmenter la pression de : basse pression haute pression processus pour diminuer la pression de : haute pression basse pression

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1. Exemples

Thermodynamique

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La machine frigorifique & la pompe à chaleur

Echangeur de chaleur

Echangeur de chaleur

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Thermodynamique

2. Systèmes

thermodynamiques

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2. Systèmes

Thermodynamique

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Les différents types de systèmes thermodynamiques

Système isolé

Système fermé

Système ouvert

Système Extérieur

Système Extérieur

Échange

Système

Échange

Extérieur

frontière

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2. Systèmes

Thermodynamique

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Les différents types de systèmes thermodynamiques

Système ouvertSystème fermé

Système étudié = circuit frigorifique

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2. Systèmes

Thermodynamique

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grandeurs scalaires : Température T, pression P, quantité de matière n, masse m,

Système

Pour connaître le système, seul un ensemble de paramètres indépendants est requis.

On distingue parmi ces paramètres :

Les valeurs intensives : qui ne dépendent pas de la taille du système.

Ex: température ou pression.

Les valeurs extensives : qui dépendent de la taille du système et sont proportionnelles à la

masse du système. Ex

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2. Systèmes

Thermodynamique

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Ces échanges peuvent être également exprimées sous forme de :

Énergie massique (en J/kg) :

qൌܳ

Grandeurs

extensives le travail W macroscopique. le chaleur ou transfert thermique Q lorsque deux corps de température différente sont en contact. Correspond microscopique.

Puissance (en W=J/s) :

ௗ௧: puissance mécanique ௗ௧: puissance thermique

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2. Systèmes

Thermodynamique

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Conventions de signe sur W et Q :

énergie cédée par le système : Q ou W < 0 énergie reçue par le système : Q ou W > 0

Système

W1 W2 Q1 Q2 Q3

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2. Systèmes

Thermodynamique

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si pas de perte (adiabatique) si pas de perte (adiabatique)

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2. Systèmes

Thermodynamique

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si pas de perte (adiabatique) dépend de la définition du système

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2. Systèmes

Thermodynamique

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source chaude source froide

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2. Systèmes

Thermodynamique

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source chaude source froide

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Thermodynamique

3. Propriétés

thermiques des fluides

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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suivantes : T température, P pression, V volume et n la quantité de matière. avec ܴla constante des gaz parfait ൌ݇஻ܰڄ ala constante de cohésion (caractère attractif des molécules à grande distance) bla constante de covolume (les molécules ont un volume espace vide non occupé) a=b=0.

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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(intrinsèques à la nature des molécules).

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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Capacités calorifiques massiques

Capacité calorifique massique à pression constante ࢉࡼ(en J.K-1.kg-1) :

°C à P=cst

Capacité calorifique massique à volume constante ࢉࢂ(en J.K-1.kg-1) : quantitéà apporterpour augmenter la temperature du fluidede 1°C à V=cst Lien entre les 2 capacités est donnée par la relation de Mayer générale

En règle générale, ܿ௉et ܿ

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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Variation de la capacité calorifique

Capacités calorifiques massiques

Quelques valeurs de capacités

calorifiques massiques dans les CSTP

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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Capacités calorifiques massiques ne dépendent que de la température T.

En effet :

La relation de Mayer devient :

ఊିଵet ܿ avec ߛൌܿ௉Ȁܿ = 5/3 = 1,67 pour un gaz monoatomique = 7/5 = 1,40 pour un gaz diatomique

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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On appelle phaseun milieu dans lequel les variables (T, P, V et n) varient de manière continue. Ainsi les états de la matière (liquide, gaz, vapeur) constituent des phases.

Mais le concept de phase est beaucoup plus large.

Ex : la glace présente 11 états solides différents (donc 11 phases)

On parle de variétés allotropiques.

Il faut dresser la "carte» des phases en fonction des conditions thermodynamiques du diagramme de phases. Le diagramme de phase est un . Il prédit la phase du fluide lorsque ce dernier est à .

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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P V T peut être décrit par les grandeurs physiques :

T température, P pression, V volume et

n la quantité de matière.

Au final, 3 paramètres doivent être pris

en compte : P, T et V. Il faut un diagramme de phase en 3D.

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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P T V P

On préfère utiliser

des projections 2D.

Sur les 3 projections

possibles, nous

étudierons les

diagrammes P-Tet diagramme P-V.

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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Point critique

(221,2 bar ; 374°C)

Point triple

(0,006 bar ; 0,01°C) solideliquidegaz

T (°C)

P (bar)

1 atm

Diagramme P-

Deux points particuliers :

le point triple où les trois états coexistent. le point critique termine la séparation entre liquide gaz. Au- delà de ce point, on est plus capable de faire la différence entre un gaz et un liquide. On parle de fluide supercritique.

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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V P

SLGS+LL+G

S+G

Point critique

Ligne triple

Sur ce diagramme, on retrouve les domaines

également apparaître des nouvelles phases qui sont des mélanges de deux états. Ex : Le domaine "L+G» désigne une phase dans

On retrouve le point critiqueau-delà

duquel le fluide est supercritique. coexistent les trois états forment une droite appelée ligne triple.

Diagramme P-

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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Diagramme P-

V P V P LL+GG

Concentrons nous sur la partie

du diagramme correspondant à la transition Liquide Vapeur.

Point critique

Courbe de rosée

= courbe de saturation

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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Diagramme P-h du fluide R134a

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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mélange peut être décrit par les grandeurs physiques :

T température, P pression, V volume,n

la quantité de matièreet la composition du mélange

Au final, 4 paramètres doivent être pris

en compte : P, T, V, composition. Il faut un diagramme de phase en 4D.

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3. Propriétés des fluides

Thermodynamique

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mélange azéotrope (comme un corps pur) Glissement de température = | T de rosée T de bulle |

Mélange zéotrope

corps pur)

à P=cst, T=cst

évaporation

condensation Mélange quasi-azéotrope: mélange zéotropedont glissement de T < 1°C

T de rosée

évaporation

condensation

T de bulle

à P=cst, T്cst

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Thermodynamique

4. Théorie des

systèmes fermés

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

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(principe pressenti par Mayer en 1842)

1et t2est égale

Formulation macroscopique :

or ȟܧൌȟ൅ȟܧ

à la variation de vitesse v

En thermo, on considère des systèmes immobiles ȟܷൌܹ൅ܳ en J

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

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(principe pressenti par Mayer en 1842)

Formulation massique :

ȟݑൌݓ൅ݍavec :

en J/kg Formulation différentielle ou infinitésimale :

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

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(principe pressenti par Mayer en 1842)

Formulation sous forme de puissance :

Que se passe-t-il en régime permanent ?

système thermodynamique en W݀ܧ

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

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TFTCmachine

(principe pressenti par Mayer en 1842) Application à une machine frigorifique & pompe à chaleur :

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

Diapositive 40/ 74

TFTCmachine

(principe pressenti par Mayer en 1842) Application à une machine frigorifique & pompe à chaleur :

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

Diapositive 41/ 74

(principe pressenti par Mayer en 1842) Application à une machine frigorifique & pompe à chaleur : Pour une machine frigorifique : EER (Energy EfficiencyRatio) Pour une pompe à chaleur : COP (COefficientde Performance) Relation COP et EER : ܱܲܥൌܴܧܧ

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

Diapositive 42/ 74

4.2 ) Bilan : deuxièmeprincipe

Les premières formulations historiques du principe :

Enoncé de Carnot (1824) : un moteur thermique

possède un rendement maximal appelé rendement de

Carnot :

Enoncé deClausius(1850):la chaleur Qpasse

spontanément du corps le plus chaud verslecorps froid. Enoncé de Thomson/Kelvin (1852) : un système en contact avec une seule source de chaleur ne peut au cours du cycle que recevoir du travail et fournir de la chaleur. Autrement dit, on ne peut pas créer un moteur thermique avec une seule source de chaleur. TCTF

Enceinte isolée

Q

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

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4.2 ) Bilan : deuxièmeprincipe

Ce principe des transformations thermodynamiques.

thermodynamique notée Set appelée entropie(Clausius, 1865). Grâce au second principe, elle indique dans quel sens peut avoir lieu une transformation thermodynamique. désordre moléculaire. Avez-vous déjà observé dans un café au lait sucré : le lait, le café et le sucre se séparent et reprennent -à-dire avant mélange) ?

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

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Processus réversible :

Processus irréversible :

on ne connait pas a priori sa valeur

Lié àlachaleurentre le système et une

source thermique de température T

1et t2

spontanément dans le système.

4.2 ) Bilan : deuxièmeprincipe

( formulation la plus générale : Prigogine (1950) )

Formulation macroscopique :

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

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4.2 ) Bilan : deuxièmeprincipe

Formulation massique :

avec : en J.K-1.kg-1 Formulation différentielle ou infinitésimale :

Ecrituresousforme de taux :

en régime permanent ( formulation la plus générale : Prigogine (1950) )

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4. Systèmes fermés

Thermodynamique

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TFTCmachine

Application à une machine frigorifique & pompe à chaleur :

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4. Systèmes fermés

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