CONCEPTS FONDAMENTAUXCONCEPTS FONDAMENTAUX(Chapitre 1)(Chapitre 1)(Quiz no. 1)(Quiz no. 1)

((Thermodynamique, une approche pragmatiqueThermodynamique, une approche pragmatique, Y. , Y. ÇÇengelengel, , M.A. M.A. BolesBoles, M. Lacroix, , M. Lacroix, CheneliChenelièèrere--McGrawMcGraw--Hill, 2008)Hill, 2008)

(lecture obligatoire pour Quiz no. 1: pages 1 à 29)

Marcel LacroixMarcel LacroixUniversitUniversitéé de Sherbrookede Sherbrooke

Mots clMots clééss

• Systèmes et volumes de contrôle• Variables thermodynamiques• États, évolutions et cycles• Masse volumique• Température• Pression

M. Lacroix Définitions et concepts 3

OBJECTIFSOBJECTIFS

• Poser quelques définitions.• Présenter quelques concepts

fondamentaux.

M. Lacroix Définitions et concepts 4

THERMODYNAMIQUE THERMODYNAMIQUE • Science qui traite de l’énergie ainsi que des

propriétés des substances.

M. Lacroix Définitions et concepts 5

ÉÉNERGIENERGIE• Énergie: aptitude à produire du travail.• Quelques formes d’énergie:

cinétique

chimique

électrique

solaire

éolienne

nucléaireUnité S.I. : Joule

M. Lacroix Définitions et concepts 6

CHALEURCHALEUR• Chaleur: forme d’énergie transmise d’un

point à haute température vers un point àbasse température.

Unité S.I. : Joule

M. Lacroix Définitions et concepts 7

TRAVAIL ET PUISSANCETRAVAIL ET PUISSANCE

• Travail: action de transférer de l’énergie.

• Puissance: taux auquel le travail est fait (Joule/seconde=Watt).

•L’énergie permet de produire un travail comme l’argent permet de dépenser.

M. Lacroix Définitions et concepts 8

THERMODYNAMIQUE:THERMODYNAMIQUE:INTINTÉÉRÊTRÊT

• Convertir et utiliser diverses formes d’énergie.

FOSSILE;

NUCLÉAIRE;

SOLAIRE;

BIOMASSE;

CHALEUR

TRAVAIL PROPULSION

TRAVAIL ÉLECTRICITÉ

M. Lacroix Définitions et concepts 9

EXEMPLE DE TRANSFORMATION DEXEMPLE DE TRANSFORMATION D’É’ÉNERGIE:NERGIE:RRÉÉACTEUR NUCLACTEUR NUCLÉÉAIRE PWRAIRE PWR

M. Lacroix Définitions et concepts 10

EXEMPLE DE TRANSFORMATION DEXEMPLE DE TRANSFORMATION D’É’ÉNERGIE:NERGIE:MOTEUR MOTEUR ÀÀ COMBUSTIONCOMBUSTION

M. Lacroix Définitions et concepts 11

EXEMPLE DEXEMPLE D’’UTILISATION DUTILISATION D’É’ÉNERGIE:NERGIE:CHAUFFAGE DCHAUFFAGE D’’EAU SANITAIREEAU SANITAIRE

M. Lacroix Définitions et concepts 12

SYSTSYSTÈÈME THERMODYNAMIQUEME THERMODYNAMIQUE• Ensemble d’éléments qui fait l’objet d’une étude.

M. Lacroix Définitions et concepts 13

VOLUME DE CONTRÔLEVOLUME DE CONTRÔLE• Volume schématique choisi représentant une partie ou la

totalité d’un système thermodynamique et dont les frontières peuvent être traversées par de la masse, de la chaleur, du travail et/ou de la quantité de mouvement.

SYSTÈME OUVERT SYSTÈME FERMÉ

M. Lacroix 14

M. Lacroix 15

M. Lacroix Définitions et concepts 16

M. Lacroix 17

M. Lacroix Définitions et concepts 18

DESCRIPTION DE SYSTDESCRIPTION DE SYSTÈÈMESMES

• MACROSCOPIQUE: Comportement d’ensemble (exemple: gaz, population, etc.).

• MICROSCOPIQUE: Comportement local(exemple: molécules, individus, etc.).

M. Lacroix Définitions et concepts 19

VARIABLES VARIABLES THERMODYNAMIQUESTHERMODYNAMIQUES

• Caractéristiques macroscopiques d’un système.

• Variables intensives: indépendantes de la masse (pression, température, masse volumique).

• Variables extensives: dépendantes de la masse (masse totale, volume, quantité de mouvement).

M. Lacroix 20

M. Lacroix Définitions et concepts 21

PHASE ET PHASE ET ÉÉTATTAT

• PHASE: Quantité de matière entièrement homogène.

• ÉTAT: Substance peut exister dans des états différents définis par des variables macroscopiques observables: température, pression, densité.

M. Lacroix 22

M. Lacroix 23

M. Lacroix Définitions et concepts 24

ÉÉQUILIBRE THERMODYNAMIQUEQUILIBRE THERMODYNAMIQUE

• Équilibre mécanique, chimique, thermique, électrique, nucléaire, etc.

• Moteur d’une voiture roulant à vitesse constante sur autoroute.

• Café ou bière à la température de la pièce.• Ordinateur fonctionnant en régime établi.• Réacteur nucléaire répondant à un appel constant

de puissance.

M. Lacroix 25

M. Lacroix Définitions et concepts 26

ÉÉVOLUTIONVOLUTION• Lieu des états successifs par lesquels le système

passe.

• L’évolution est réversible lorsque, après avoir étédécrite, elle peut être inversée en ne faisant subsister aucun changement dans le système ni dans le milieu ambiant.

M. Lacroix 27

M. Lacroix Définitions et concepts 28

ÉÉVOLUTION QUASI STATIQUEVOLUTION QUASI STATIQUE

• Évolution au cours de laquelle la déviation de l’équilibre thermodynamique est infinitésimale.

Les petites masses ajoutées ou retranchées sur le piston permettent une compression ou un détente quasi statique du fluide

M. Lacroix 29

M. Lacroix 30

ÉÉVOLUTION EN RVOLUTION EN RÉÉGIME PERMANENTGIME PERMANENT

M. Lacroix 31

ÉÉVOLUTION EN RVOLUTION EN RÉÉGIME PERMANENTGIME PERMANENT

M. Lacroix Définitions et concepts 32

CYCLECYCLE• Parcours décrit par un système passant par un

certain nombre de changements d’état ou d’évolutions différentes et retournant finalement àson état initial.

Cycle de Rankine dans une centrale thermique

M. Lacroix Définitions et concepts 33

MASSE VOLUMIQUE ET MASSE VOLUMIQUE ET VOLUME MASSIQUEVOLUME MASSIQUE

SUBSTANCE

AIR (270C) 1,16 0,86

EAU LIQUIDE (270C) 966,2 0,001035

EAU VAPEUR (270C) 0,0258 38,77

)/( 3 kgmν

)/)((0

lim 3mkgVm

V →=ρMasse volumique

)/(1 3 kgmvρ

=Volume massique

)/( 3mkgρ

M. Lacroix Définitions et concepts 34

PRESSIONPRESSION

)/)((0

lim 2mNA

FA

P normale

→=

kPaatmatmosphereMPakPaPaBar

mNPaPascal

325,10111;1.0100101

;/1115

2

=====

==

M. Lacroix Définitions et concepts 35

PRESSIONPRESSION

EXEMPLE S.I.(kPa)

BRITISH(lbf/po2)

ATMOSPHÉRIQUE ~100 ~14,7

PNEU (voiture) ~240 ~35

PISCINE (10 mètres) ~200 ~29,4

M. Lacroix Définitions et concepts 36

PRESSIONPRESSION

Patm

Peffective

Pabs

vide absolu

Pabs=Patm+Peffective

Pression absolue = pression atmosphérique + pression effective

M. Lacroix Définitions et concepts 37

TEMPTEMPÉÉRATURERATURE

• Deux systèmes ont atteint l’équilibre thermique quand il n’y a plus de transfert de chaleur entre eux. Dans ce cas, ils se trouvent à la même température.

• La température est une mesure de l’énergie potentielle thermique.

• La température est à la chaleur ce que la hauteur est à l’énergie potentielle gravitationnelle!

M. Lacroix Définitions et concepts 38

ÉÉCHELLES DE TEMPCHELLES DE TEMPÉÉRATURESRATURES

15,273)()( 0 += CTKT460)()( 00 += FTRT

(Kelvin)

(Rankine)

M. Lacroix Définitions et concepts 39

TEMPTEMPÉÉRATURERATURE

EXEMPLE 0C S.I. (K) BRITISH (0F)

CHAMBRE ~25 ~298 ~77

CORPS HUMAIN ~37 ~310 ~99

FOUR DOMESTIQUE ~200 ~473 ~400

M. Lacroix Définitions et concepts 40

EXERCICES SUGGEXERCICES SUGGÉÉRRÉÉSS

Chapitre 1, 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 1.7, 1.30, 1.32, 1.38, 1.39, 1.88, 1.92, 1.93