Lois de la thermodynamique : Systèmes et cycles

Premier principe de la thermodynamique : Systèmes ouverts

Dans ces derniers, il y a des flux de masse et d'énergie.

• Débit massique : Il s'agit du montant de la masse en écoulement à travers un système, par unité de surface, de volume et de temps. Si un système ouvert respecte la conservation de la masse et que le fluide est incompressible, cela signifie que la densité à l'entrée est égale à la densité à la sortie.
• Travail d'écoulement (Work Flow) : C'est le travail effectué par le fluide pour se déplacer à travers le système. En raison de la conservation de l'énergie, les énergies entrantes doivent être égales aux énergies sortantes.
• Enthalpie : Il s'agit d'une propriété thermodynamique qui montre les changements d'énergie se produisant dans un processus entre l'entrée et la sortie d'un système ouvert. C'est une fonction d'état exacte qui dépend seulement de l'état initial et final du système.

Fonctionnement des équipements à débit constant

a) Chaudière

C'est un dispositif caractérisé par un apport de chaleur à un fluide (généralement de l'eau) afin d'élever sa température ou de le vaporiser. C'est un dispositif statique qui ne produit pas de travail.

b) Turbine à gaz ou à vapeur

Un dispositif qui se caractérise par la réception d'un fluide à haute pression et haute énergie, lequel se détend jusqu'à une basse pression pour produire un travail sur l'arbre. Nous cherchons généralement à connaître ce travail d'arbre.

c) Compresseurs et pompes

Dispositifs visant à augmenter la pression du fluide de travail de manière continue. Nous cherchons ici à déterminer le travail à l'arbre devant être fourni.

d) Buses

Le but de ce dispositif est d'accélérer un fluide par l'effet de la diminution de la section de passage et de la chute de pression. L'écoulement du fluide est si rapide que l'appareil fonctionne presque sans perte de chaleur.

e) Robinets et vannes

Ils ont une fonction d'éléments de régulation où le fluide subit une chute de pression due à la taille de l'appareil et à la vitesse de traversée. Ils ne produisent ni chaleur ni travail à des limites fixes ; c'est un processus isenthalpique où l'apport d'énergie est égal à la sortie.

Cycles thermodynamiques

Cycle moteur (Type a)

L'objectif est la transformation de la chaleur en travail dans un moteur thermique. On retrouve ces cycles dans les centrales à vapeur, les moteurs à cycle Diesel, les turbines à gaz, etc.

Caractéristiques du cycle de travail

• A) Un processus dans lequel le système ou le fluide de travail reçoit de la chaleur à haute température.
• B) Au moins un processus où le système rejette de la chaleur vers une source froide ou un carter thermique.
• C) Fourniture de travail à l'environnement.

Performance des centrales électriques

Une centrale prend en compte deux aspects principaux : l'efficacité et le rendement.

• Efficacité : Elle est liée aux coûts associés.
• Rendement : Il est lié à la performance de la machine ou du procédé.
• Performance de la centrale : C'est le ratio entre la valeur absolue du travail net (+) et la chaleur absorbée.
• Travail net : Le produit net du travail selon la fréquence de répétition du cycle.
• Pouvoir calorifique : Quantité d'énergie absorbée par un moteur par rapport à la masse consommée pour son fonctionnement.

Cycle de réfrigération (Type b)

Son but est de transférer la chaleur d'une source à basse température vers une source à température élevée en utilisant du travail (réfrigérateurs, pompes à chaleur, climatisation).

Caractéristiques

• a) Au moins un processus où la substance de travail reçoit de la chaleur à basse température.
• b) Au moins un processus où le système rejette de la chaleur vers une source à haute température.
• c) Nécessite un travail supplémentaire pour être opérationnel.

Note : Les cycles de refroidissement n'ont pas de rendement au sens classique, mais un Coefficient de Performance (COP), qui est le rapport entre la sortie désirée (DI) et le travail net (Wn).

Pompes à chaleur

Leur fonctionnement efficace est défini comme le rapport entre la sortie désirée correspondant à (Qh) et le travail net (Wn).

Second principe de la thermodynamique

Il est basé sur l'expérience décrivant le sens spontané des processus et fournit les outils nécessaires pour mesurer la qualité de l'énergie et l'efficacité des transformations thermodynamiques. Il reconnaît la nature unidirectionnelle du transfert de chaleur et de la transformation du travail en chaleur.

Entropie et irréversibilité

L'entropie (désordre) permet d'optimiser les processus énergétiques en tenant compte de la réversibilité ou de l'irréversibilité.

• Processus irréversible : C'est lorsqu'un processus ne peut pas revenir à son état initial sans laisser de traces ou lorsqu'il n'y a pas d'équilibre thermodynamique constant.
• L'équilibre thermodynamique : Pour l'atteindre, il ne doit pas y avoir :
  • a) D'évolution mécanique liée à une variation de pression.
  • b) De réactions chimiques (processus à volume constant).
  • c) De gradient thermique (température constante).

Les processus irréversibles peuvent être causés par des irréversibilités internes (frottement, combustion, diffusion) ou externes (mécaniques et thermiques).

Principes fondamentaux du second principe

Si le processus est spontané, il est nécessairement irréversible, ce qui signifie :

• a) Le flux de chaleur va de la haute vers la basse température.
• b) Le travail est spontanément converti en chaleur.

Déclaration de Clausius

Évoquant le cycle des moteurs thermiques, elle stipule que la chaleur ne peut pas être transférée spontanément d'un corps froid vers un corps à température supérieure. Le seul moyen est d'utiliser une machine recevant un travail extérieur.

Déclaration de Kelvin-Planck

Aucune machine ne peut transformer intégralement la chaleur reçue en travail ; elle doit nécessairement rejeter une partie de la chaleur vers une zone plus fraîche naturellement accessible.

Le cycle de Carnot

C'est ce qui fonde et valide le second principe. Il établit une relation entre chaleur et température. Ce cycle repose sur quatre processus réversibles : deux adiabatiques et deux isothermes, permettant de déterminer les performances thermiques en fonction de la température de la source fournissant l'énergie.

Définition approfondie de l'entropie

L'entropie est la somme de tous les micro-états en constante évolution, déterminant le désordre thermique dans un processus. C'est une fonction d'état décrivant l'irréversibilité. Dans le cycle de Carnot, les deux processus adiabatiques (où la chaleur est nulle) s'effectuent sans changement d'entropie, définissant ainsi un processus isentropique.