Chapitre 4

346 Pages·2017·1.55 MB·French

by  Olivier Cleynen

THERMODYNAMIQUE
DE L’INGÉNIEUR
TROISIÈME ÉDITION
OLIVIER CLEYNEN
THERMODYNAMIQUE.FR
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OlivierCleynen,
l’auteur.
Thermodynamique
de l’ingénieur
Olivier Cleynen
Copyright2015,2018,2021OlivierCleynen
Troisièmeédition(décembre2021),OlivierCleynen,Thermodynamique.fr
(leséditionsde2015et2018étaientpubliéesparFramasoft/Framabook)
Thermodynamiquedel’ingénieurestplacésouslicenceCreativeCommons:
cba Attribution–PartagedanslesMêmesConditions4.0.
LestermesdelalicencesontdétaillésenannexeA8page331.
Photodecouverture:“CarrickalingaBushfire2018”CC-byparLukeAnderson
Dépôtlégal:Avril2015
ISBN:9781794848207

Table des matières
1 Notionsfondamentales 9
1.1 Notiond’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 L’énergiemécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Letravail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Lachaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 Lechaudetlefroid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6 Unpeud’histoire:mesurerledegrédechaleur . . . . . . . . . . . . . 24
1.7 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2 Lessystèmesfermés 31
2.1 Pourquoiutiliserunsystèmefermé? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Conventionsdecomptabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Lepremierprincipedansunsystèmefermé . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 Quantifierletravailavecunsystèmefermé . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Quantifierlachaleuravecunsystèmefermé . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6 Unpeud’histoire:lemoteurcompound . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3 Lessystèmesouverts 59
3.1 Pourquoiutiliserunsystèmeouvert? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Conventionsdecomptabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 Lepremierprincipedansunsystèmeouvert . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4 Quantifierletravailavecunsystèmeouvert . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5 Quantifierlachaleuravecunsystèmeouvert . . . . . . . . . . . . . . 73
3.6 Unpeud’histoire:degréetquantitédechaleur . . . . . . . . . . . . . 74
3.7 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Legazparfait 81
4.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2 Propriétésdesgazparfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 Énergieettempérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.4 Transformationsélémentairesréversibles . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.5 Unpeud’histoire:lesquestionnementsdeLavoisieretLaplace . . . . 106
4.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5 Liquidesetvapeurs 115
5.1 Ébullitionetliquéfaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2 Descriptionqualitativedespropriétésdel’eau . . . . . . . . . . . . . 120
5.3 Quantificationdespropriétésdel’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4 Transformationsélémentairesréversibles . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.5 Unpeud’histoire:lecheval-vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6 Cyclesthermodynamiques 151
6.1 Conventionsgraphiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2 Transformerchaleurettravail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.3 Rendementdescycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.4 Unpeud’histoire:lenombredetempsmoteur . . . . . . . . . . . . . 165
6.5 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7 Lesecondprincipe 177
7.1 Lesecondprincipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.2 Lesecondprincipeetlesmachinesthermiques . . . . . . . . . . . . . 180
7.3 LecycledeCarnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.4 L’échelledetempératurethermodynamique . . . . . . . . . . . . . . 194
7.5 Efficacitémaximaledesmachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.6 Unpeud’histoire:lerêvedeRudolfDiesel . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.7 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8 L’entropie 211
8.1 Leconceptdel’entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.2 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.3 Lesvariationsd’entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.4 Prédirelesensdestransformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.5 L’entropie,letemps,etl’univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.6 Unpeud’histoire:l’aventurierRumford . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.7 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9 Cyclesmoteursàvapeur 245
9.1 Pourquoiutiliserunmoteuràvapeur? . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.2 Critèresd’évaluationdesmoteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.3 Composantsdesinstallationsàvapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.4 Cyclesmoteursàvapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
9.5 Unpeud’histoire:delaturbineàvapeuràlaturbineàgaz . . . . . . 268
9.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
10 Cyclesmoteursàgaz 275
10.1 Pourquoiutiliserunmoteuràgaz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
10.2 Critèresd’évaluationdesmoteursàgaz . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
10.3 Moteursalternatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
10.4 Composantsdesturbomachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
10.5 Lesconfigurationsdesturbomachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
10.6 Modificationdescyclesdesturbomachines . . . . . . . . . . . . . . . 300
10.7 Unpeud’histoire:leNapierNomad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
10.8 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Annexes 313
A1 Abaquesdevapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
A2 Pressionjaugéeetpressionréelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
A3 Grandeursadditives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
A4 Grandeursd’étatetdechemin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
A5 Conventionsdenotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
A6 Errataetmodifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
A7 Contributeurs/rices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
A8 Réutilisationdecelivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
A9 Citercelivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
Bibliographie 333
Listedessymboles 336
Index 339
Introduction
En 1865, le physicien allemand Rudolf Clau-
sius clôture près d’un siècle de tâtonnements
*
enexplicitantlesgrandes basesdecequel’on
commence à appeler « thermodynamique » :
Lathermodynamiqueestl’étudedelaconver-
c’estcequenousconnaissonsaujourd’huisous
sion de l’énergie entre deux formes, chaleur
lenomdesdeuxprincipes.Ilgénéralise,cefai-
ettravail.Pourtant,sesdébutsremontentbien
sant, ses observations sur un ballon de gaz à
avantquecestroisconceptsnesoientétablis:
l’univers tout entier. De leur côté, l’Écossais
pendant longtemps il ne s’agissait que de se
James Clerk Maxwell et l’Autrichien Ludwig
penchersur lanature delachaleur.Autrement
Boltzmann réconcilieront la thermodynamique
dit,queveutdire«chaud»exactement?Peut-
avec la physique des particules en travaillant
onlemesurer?
auniveaumicroscopique.Aufuretàmesuredu
Lespremièresréflexionssurlanaturedelama- xxesiècle,leconceptd’incertitudesefaitaccep-
tièreetcelledu feudatentdelaGrèceantique ter et la thermodynamique devient affaire de
etdonnentdéjànaissanceàlathéorieatomique. probabilités et de quantification du désordre;
Maisilnes’agitalorsquedeconstructionsphi- elle sert même à poser les bases de la théorie
losophiques, plus fondées sur une vision spi- del’information.
rituelle organisée du monde que sur de réels
Entretemps,larévolutionindustrielleaeulieu.
travauxd’observation.
Délaissantlapompeàeau,lemoteurthermique
Il faudra attendre le xviie siècle pour que dé- estpasséàlapropulsiondeslocomotives,puis
butentdesérieuxtravauxderecherchesurce desnavires,automobiles,génératricesdecou-
sujet.C’estlatempérature,dontonsefaitplus rant et aéronefs. Notre mode de vie, dans le-
facilement une idée que de la chaleur, qui est quellaforcephysiologiquehumainen’aplusla
d’abord le centre d’intérêt. La conception du moindreimportance,montreàquelpointnous
thermomètresoulèveeneffetdenombreuxpro- sommes devenus dépendants de la puissance
blèmesd’ingénierieetdephysique:comment et de la précision que ce moteur permet. En
liercetteidéede«température»àunphéno- somme,ilestlaraisonpourlaquellenotreenvi-
mène observable directement, de façon prévi- ronnementdiffèretantdeceluidenosancêtres,
sibleetreproductible? et de celui que connaîtront nos descendants.
La thermodynamique permet de comprendre
Pendant ces années et jusqu’en 1850, la ther-
lefonctionnement déroutant decetengin àla
modynamique reste à l’échelle macroscopique
foisbanaleteffroyable.
– il n’est pas encore question d’atome ou de
molécule.Elle suscitebeaucoupd’intérêtparce Au cours de cette série de dix chapitres sur la
qu’elleabordedirectementlesphénomènesde thermodynamique de l’ingénieur, nous passe-
frottement et de transfert de chaleur, qui ne ronsducomportementélémentairedesfluides
seproduisentjamaisquedansunseulsens,et à la théorie des moteurs – l’objectif étant de
auxquelsunevisionmécanistiquenewtonienne fournir à l’étudiant/e une bonne compréhen-
del’universnepeutfournird’explication. sion du fonctionnement des machines à cha-
leuretunebasesolidepourpouvoiraborderla
Le grand essor des machines thermiques, au
débutduxixesiècle,prendlasciencedecourt. conceptionmoteuretlamécaniquedesfluides.
Les premiers moteurspompent l’eau horsdes
mines,maislathermodynamique–quineporte
alors même pas son nom – ne sait pas expli-
quercomment.Ilfaudraunetrentained’années
avantque la théorie nerattrape lapratique et
que l’on établisse une vision cohérente de la
thermodynamiquepermettant,parexemple,de
prévoirlerendementd’unmoteur.
1
Chapitre
Notions fondamentales
ou
L’indispensable panoplie du petit thermodynamicien
10 Chapitre1
Chapitre 1 – Notions fondamentales
1.1 Notiond’énergie 11
1.1.1 L’énergie 11
1.1.2 Lepremierprincipe 12
1.1.3 Formesd’énergie 12
1.1.4 Lapuissance 13
1.1.5 L’énergieetlapuissancemassiques 14
1.2 L’énergiemécanique 15
1.3 Letravail 16
1.4 Lachaleur 19
1.4.1 Latempérature 19
1.4.2 Lachaleur 20
1.4.3 Lacapacitéthermique 21
1.5 Lechaudetlefroid 22
1.6 Unpeud’histoire:mesurerledegrédechaleur 24
1.7 Exercices 26
Lechapitre1enbref
Lepremierprincipestipulequel’énergieestconstanteetindestructible:onlatransforme
d’uneformeàuneautre.Letravailestuntransfertassociantuneforceàundéplacement.La
chaleurestuntransfertchaotique,associéàunpotentiel,latempérature.
Thermodynamiquedel’ingénieurparOlivierCleynen