Ass Hyacinthe syllabus ISTL Vrai

RÉPUBLIQUE DÉMOCRATIQUE DU CONGO
ENSEIGNEMENTS SUPÉRIEUR ET UNIVERSITAIRE
INSTITUT SUPERIEUR TECHNIQUE DE LIKASI
ISTL/LIKASI
Département des Sciences Techniques et Appliquées
COURS DE THERMODYNAMIQUE
APPLIQUEE
(Destiné aux étudiants de Deuxième Bachelier)
Fait par : Ass Hyacinthe KOJI NDOMBE
Licencié en Mécanique Appliquée
ANNEE ACADEMIQUE
2020-2021

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Licencié en Mécanique Appliquée
AVANT-PROPOS
Comment optimiser les systèmes énergétiques pour économiser les ressources ? Cette
question est un enjeu majeur de notre société pour préparer et préserver son avenir économique et
écologique. Les scientifiques et les ingénieurs sont et seront au cœur de cet enjeu en apportant des réponses
concrètes et nécessairement innovantes, l’innovation passant souvent par la compréhension.
La thermodynamique peut être définie comme la science des transformations de l’énergie. Par
conséquent, maîtriser les principes fondateurs de la thermodynamique et comprendre les grands principes
de transformation de l’énergie d’un point de vue pratique est une nécessité pour répondre aux enjeux
énergétiques auxquels notre société devra faire face.
Ce cours de Thermodynamique est destiné aux étudiants de deuxième Bachelier du domaine
des sciences appliquées d’enseignement supérieur de spécialité Génie Electromécanique. L’objectif de ce
cours est de fournir les principales clés permettant aux étudiants (futurs Ingénieurs) de comprendre les
grands principes de transformation de l’énergie et leur mise en application dans le domaine industriel,
notamment dans les machines thermiques ou systèmes thermodynamiques. A titre d’exemple, on peut
citer :
Les centrales thermiques de production d’électricité,
Les moteurs à combustion interne,
Les turbopropulseurs et les turboréacteurs,
Les machines frigorifiques à compression de vapeur,
A cette fin, le cours sera organisé de la manière suivante : Le premier chapitre introduit les
notions fondamentales et les premières définitions utilisées en thermodynamique. Le deuxième chapitre
développe les différentes formes d’énergie, leurs transferts et l’énoncé du premier principe. Le troisième
chapitre est consacré aux gaz parfaits. Le quatrième chapitre présent le deuxième principe de la
thermodynamique, les notions et les différentes expressions de l’entropie, le sixième et dernier chapitre
est une introduction aux machines thermiques et cycles thermodynamiques.
Cette présentation résulte de la lecture de nombreux ouvrages et documents dont la plupart ne
sont pas cités dans la bibliographie.

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TABLE DES MATIERES
CHAPITRE I : NOTIONS FONDAMENTALES DE LA THERMODYNAMIQUE ............................... 5
I.1. INTRODUCTION GENERALE ...................................................................................................... 5
I.1.1 Définition et Objet de la Thermodynamique .............................................................................. 5
I.1.2. Différentes formes de la Thermodynamique .............................................................................. 5
I.1.3 Historique .................................................................................................................................... 6
I.2. SYSTEME THERMODYNAMIQUE .............................................................................................. 7
I.2.1. Définition ................................................................................................................................... 7
I.2.2 Types des Systèmes thermodynamiques ..................................................................................... 8
I.2.3. Etat thermodynamique d’un système ......................................................................................... 9
I.2.4. Transformation thermodynamique d’un système ..................................................................... 10
I.2.5 Cycle thermodynamique d’un système ..................................................................................... 12
I.2.6. Phases d’un système thermodynamique ................................................................................... 12
I.3 NOTION D’EQUILIBRE ................................................................................................................ 14
I.3.1. Principe “Zéro” de la thermodynamique .................................................................................. 14
I.3.2. Equilibre thermodynamique d’un système ............................................................................... 14
CHAPITRE II : LES GAZ PARFAITS ..................................................................................................... 15
II.1 INTRODUCTION .......................................................................................................................... 15
II.2. DEFINITION ................................................................................................................................. 15
II.2.1. les variables d’état d’un gaz parfait ........................................................................................ 15
II.3 LES EQUATIONS D’ETAT DES GAZ PARFAITS .................................................................... 17
II.4. LES LOIS DES GAZ PARFAITS ................................................................................................. 19
II.4.1. Loi de Boyle-Mariotte : .......................................................................................................... 19
II.4.2. Loi de Charles : ....................................................................................................................... 19
II.4.3. Loi de Gay-Lussac : ................................................................................................................ 19
II.4.5. Loi des gaz parfaits pour une transformation Adiabatique (Q=0) .......................................... 19
II.5. REPRESENTATIONS GRAPHIQUES DE L’EQUATION DE CLAPEYRON ......................... 20
II.6. GAZ SEMI-PARFAITS ................................................................................................................ 20
II.7. GAZ REELS .................................................................................................................................. 20
CHAPITRE III : ECHANGES D’ENERGIE : TRAVAIL (W) ET CHALEUR (Q) ............................... 23
III.1. INTRODUCTION ........................................................................................................................ 23
III. 2. ENERGIE .................................................................................................................................... 24
III.2.1.Energie Interne ....................................................................................................................... 24
III.2.2. Energie Cinétique ( ......................................................................................................... 24
III.2.3. Energie Potentielle ( ....................................................................................................... 25
II.3. TRAVAIL (W) .............................................................................................................................. 25
III.3.1 Calcul du travail dans différentes transformations ..................................................................... 26
III.4. CHALEUR ................................................................................................................................... 29

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III.4.1. La chaleur sensible ................................................................................................................ 29
III.4.2. La chaleur latente .................................................................................................................. 30
CHAPITRE IV : LE PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE ..................................... 32
IV.1.INTRODUCTION ......................................................................................................................... 32
IV.2. ENONCE ...................................................................................................................................... 33
IV.3. ENTHALPIE (H) ......................................................................................................................... 33
IV.4. LE CALCUL D’UNE TRANSFORMATION THERMODYNAMIQUE .................................. 34
IV.5. APPLICATION DU 1ER PRINCIPE AUX TRANSFORMATIONS .......................................... 34
IV.4.1. Transformation Isochore (V=Cte) : ....................................................................................... 35
IV.4.2. Transformation Isobare (P=Cte) ........................................................................................... 36
IV.4.3.Transformation Isotherme (T=Cte) ........................................................................................ 37
IV.4.4. Transformation adiabatique (Isentropique, Q=0) .................................................................. 38
EXERCICES ............................................................................................................................................. 41
CHAPITRE V : DEUXIEME PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE .......................................... 43
V.1 NOTIONS PRELIMINAIRES ....................................................................................................... 43
V.1.1 Transformations quasi-statiques, Réversibles et irréversibles ................................................. 43
V.2 LES PREMIERES ENONCEES DU DEUXIEME PRINCIPE ..................................................... 47
V.2.1. Enoncé de Clausius : ............................................................................................................... 47
V.2.2. Enoncé de Kelvin-Plank ......................................................................................................... 47
V.3. NOTION D’ENTROPIE ............................................................................................................... 48
V.3.1. Transformations réversibles ................................................................................................... 48
V.3.2. Transformations irréversibles ................................................................................................. 49
V.3.3. Calcul de la variation d’entropie ........................................................................................... 50
V.4. NOTION DE CREATION D’ENTROPIE .................................................................................... 51
V.4.1. Énoncé du deuxième principe ................................................................................................. 51
CHAPITRE VI : LES MACHINES THERMIQUES ET CYCLES THERMODYNAMIQUES ............ 54
VI.1. INTRODUCTION ........................................................................................................................ 54
VI.2. MACHINE THERMIQUE MONOTHERME ............................................................................. 54
VI.2.1 Cycles monothermes .............................................................................................................. 54
VI.3. LES MACHINES DITHERMES ................................................................................................. 55
VI.3.1 Les machines dithermes motrices (Thermo-dynamique) ....................................................... 56
VI.3.2. Machines dithermes réceptrices (machines frigorifiques) .................................................... 57
VI.4. LES CYCLES THERMODYNAMIQUES .................................................................................. 62
VI.4.1. Cycle de Carnot ..................................................................................................................... 62
VI.4.2. Cycles de Rankine ................................................................................................................. 65
VI.4.3. Cycles de Hirn (ou cycle à surchauffe) ................................................................................. 66
VI.4.4. Cycle de Beau de Rochas ou d’Otto (Moteur à Essence) ..................................................... 66
VI.4.6. Cycle mixte (cycle de Sabathé) ............................................................................................. 69

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CHAPITRE I : NOTIONS FONDAMENTALES DE LA
THERMODYNAMIQUE
I.1. INTRODUCTION GENERALE
L’objectif de ce chapitre est de rappeler les principales notions de thermodynamique et
relations qui seront utiles pour la suite du cours. Il n’est cependant pas question de faire une présentation
exhaustive et poussée de toutes ces notions et l’étudiant intéressé pourra se reporter aux cours de
thermodynamique Générale pour approfondir ces notions.
I.1.1 Définition et Objet de la Thermodynamique
La Thermodynamique est l’étude de la dynamique des systèmes thermomécaniques, c’est à
dire l’étude d’un système au cours de son évolution ou transformation en fonction des échanges
d’énergies mécaniques (travail) et thermiques (chaleur) avec le milieu extérieur au système.
L'objet de la Thermodynamique est d'étudier le fonctionnement et le bilan d'énergie des
machines thermiques et aussi les échanges ou transferts de chaleur dans un système ou entre deux
systèmes
I.1.2. Différentes formes de la Thermodynamique
On peut décrire la thermodynamique de deux manières ou selon deux aspects différents :
a) L’aspect macroscopique : on s’intéresse aux propriétés de la matière de la manière où le
système à l’échelle globale ou macroscopique, alors les propriétés sont décrites par des variables
d’état macroscopiques (P, V, T, m, …).
b) L’aspect microscopique : on s’intéresse aux propriétés de la matière à l’échelle microscopique
ou atomique en utilisant comme variables les grandeurs cinétiques individuelles des molécules
ou des atomes (Pi, Vi, Ei, …)
Selon que l’on considère l’un ou l’autre de ces deux aspects, on distingue alors entre la
thermodynamique classique ou statistique.
I.1.2.1. Thermodynamique classique
Elle explique le comportement de la matière ou des systèmes en fonction de leurs variations
d’énergie et d’entropie. Elle décrit uniquement les états initiaux et finaux des systèmes en évolution et
dresse le bilan énergétique du système. Le chemin suivi par la transformation du système peut jouer un
rôle (la notion de réversibilité ou d’irréversibilité des transformations).
I.1.2.2. Thermodynamique statistique
Elle cherche à expliquer l’origine et la signification des variables macroscopiques (P, T) et
des notions de chaleurs, de travail et e l’entropie en les reliant directement au mécanisme de l’agitation
moléculaire. Ainsi on distingue les notions de température, de pression et de chaleur.