THERMODYNAMIQUE ET MACHINES THERMIQUES

ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ARTS ET METIERS
Centre d’enseignement et de Recherche de Bordeaux-Talence
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INSTITUT UNIVERSITAIRE PROFESSIONNALISE DE GENIE MECANIQUE
UNIVERSITE BORDEAUX 1
351 cours de la Libération 33405 TALENCE Cedex
Tel : [phone]
THERMODYNAMIQUE ET
MACHINES THERMIQUES
A. HUGGET P. SEBASTIAN
1997-2002

Plan
I RAPPELS
Premier principe,
gaz parfait,
second principe,
exergie-anergie,
dégradations d’énergie,
changements d’état.
II CYCLES THERMODYNAMIQUES et MACHINES THERMIQUES
Définition d’un cycle,
cycle de Carnot,
machines thermiques sans changement d’état,
machines thermiques avec changements d’état.
III PRODUCTION DE FROID, POMPE A CHALEUR
Machine sans changement d’état,
Machine avec changements d’état,
Principe de fonctionnement,
système réel,
fluides frigorigènes,
irréversibilités du système,
conception d’une PAC.
IV APPLICATION DE L’AIR HUMIDE : LE SECHAGE
Définition de l’air humide,
application au séchage,
optimisation d’un séchoir (de l’approche simplifiée à l’approche globale).
Annexes :
• Exergie
• Cycle des turbines à gaz
• Problèmes d’optimisation et méthodes à employer
• Réseaux de neurones
• Algorithmes génétiques

I RAPPELS
Définition: la thermodynamique est la partie de la physique qui
traite des relations entre les phénomènes mécaniques et thermiques
(cette matière englobe actuellement les phénomènes
thermoélectriques et thermochimiques).
 Définition du premier principe (1820): principe de conservation
 Définition du second principe (1850): principe d'évolution
 Etude à l'échelle macroscopique
 Etude des transferts entre différents systèmes et des
transformations d'énergie (énergie thermique transformée en énergie
mécanique, e.g. moteur; énergie mécanique transformée en énergie
thermique, e.g. groupe frigorifique, PAC).
 Interactions des machines avec le milieu extérieur 
définition des paramètres du système ou des variables décrivant
l'évolution du système (e.g. pour un gaz: la pression, la température
ou la densité)
 Transformation d'une quantité de chaleur en travail  pièces
mobiles (piston). Définition de rendement: Q1 se transforme en W +
Q2 et le rendement est donné par: ρ=
W
Q1
 Sources d'énergie:  Chimique (combustible qui brûle,
pollution)
 Nucléaire (réaction exothermique,
échangeur)

Energie Interne et premier principe de la thermodynamique
Définition: L'énergie interne (U) d'un système est essentiellement
une grandeur mécanique caractérisant le mouvement microscopique
des atomes et des molécules dans les matériaux.
Premier principe de la thermodynamique:
- Pour tout système fermé, on peut définir une fonction d'état
appelée énergie interne qui est conservative, c'est-à-dire qui reste
constante, en toutes circonstances, lorsque le système n'échange pas
d'énergie avec le milieu extérieur.
- La variation d'énergie interne du système entre les deux états
d'équilibre 1 et 2 est égale à la somme algébrique des quantités
d'énergie mécanique (W) ou calorifiques (Q) reçues du milieu
extérieur:
∆
Σ
Σ
U
W
Q
=
+
 ∆U est indépendant de la transformation par contre, ΣW+ΣQ
dépendent de cette transformation
 Généralement, l'état macroscopique d'un corps pur isolé
dépend de deux variables indépendantes pouvant être choisies dans
le triplet (P, V, T)
 Par convention, toutes les énergies reçues par le système
sont positives (un moteur est donc un système défini de telle
manière que ΣW<0)
Etat 1 Etat 2
I A
I B
∆U=W
A
+Q
A
=W
B
+Q
B
(W
A
≠W
B
et Q
A
≠Q
B
)

Remarque : valeur absolue de l’énergie interne d’un système au
repos
U=m c²
(m, masse du système ; c, vitesse de la lumière 300 000 km/s)
 Transformation cyclique  ∆U
cycle
=0 
ΣW+ΣQ=0
(Remarque: 1 cycle est au moins composé de 3 transformations)
 Travail mécanique  δW= -P dV
 La quantité de chaleur d'un système est proportionnelle à
la masse du système, sa variation de température et sa chaleur
spécifique: δQ= m⋅c⋅dT
 Fonctions énergétiques  Energie interne
(dU=δW+δQ)
 Enthalpie (dH=dU+d(PV))
dU= m⋅
⋅⋅
⋅c⋅
⋅⋅
⋅dT - P⋅
⋅⋅
⋅dV et dH= m⋅
⋅⋅
⋅c⋅
⋅⋅
⋅dT + V⋅
⋅⋅
⋅dP
 Transfert des quantités de chaleur à partir des
caractéristiques du système
f(P,V,T) est l'équation d'état du système; suivant le choix des
variables indépendantes, on a: P=f(T,V), V=f(P,T), ou T=f(P,V).
 Si les variables indépendantes sont V et T:
δQ(V,T)= m⋅
⋅⋅
⋅c
v
(V,T)⋅
⋅⋅
⋅dT + l(V,T)⋅
⋅⋅
⋅dV
 Si les variables indépendantes sont P et T:
δQ(P,T)= m⋅
⋅⋅
⋅c
p
(P,T)⋅
⋅⋅
⋅dT + h(P,T)⋅
⋅⋅
⋅dP
 Si les variables indépendantes sont V et P:
δQ(V,P)= λ
λλ
λ(V,P)⋅
⋅⋅
⋅dP + µ
µµ
µ⋅
⋅⋅
⋅dV
En fonction de ces expressions, on obtient:
dU= m⋅
⋅⋅
⋅c
v
⋅
⋅⋅
⋅dT + (l-P)⋅
⋅⋅
⋅dV et dH= m⋅
⋅⋅
⋅c
p
⋅
⋅⋅
⋅dT +
(h+V)⋅
⋅⋅
⋅dP