Rapport final

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Université du Québec à Chicoutimi
MODULE D’INGÉNIERIE
GÉNIE MÉCANIQUE
6GIN555
Rapport final
# Projet : 2011-248
Conception de montages pédagogiques compacts pour le cours de thermodynamique I
Préparé par
LOUIS DUROCHER
STÉPHANIE DESMEULES
Pour
Marie-Isabelle Farinas, ing., Ph.D.
UQAC, DSA
Le mercredi 9 mai 2012
CONSEILLER : Marie-Isabelle Farinas, ing., Ph.D.
COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing

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Approbation du plan de cours pour diffusion
Nom du conseiller
Date
Signature

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Remerciements
Nous tenons à remercier Mme Marie-Isabelle Farinas pour son implication en tant que conseillère et
promoteur pour sa précieuse aide dans l’organisation de nos idées et pour l’élaboration du projet en
général. Sa constante disponibilité et son support autant moral que technique ont su nous guider
soigneusement vers l’atteinte des objectifs.
Que soit également remercié M. Richard Martin, technicien électrique au département des sciences
appliquées, pour sa précieuse aide dans la construction du code de programmation du système
d’acquisition de données.

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Résumé de projet
Conception de montages pédagogiques compacts pour le cours de thermodynamique I
Le cours de thermodynamique 1 se donne à l’université du Québec à Chicoutimi dans le cadre des
programmes de génie mécanique, électrique et géologique. L’objectif principal de ce cours est
d’amener les étudiants à appliquer les principes de thermodynamique pour prévoir et analyser le
comportement des systèmes et procédés énergétiques utilisés en ingénierie. Les concepts de
base, soient la lecture de la température et de la pression, la distinction entre chaleur et travail, les
propriétés des substances pures, la première et deuxième loi de thermodynamique ainsi que le
cycle du moteur Stirling sont des notions abstraites et difficiles à visualiser. À l’heure actuelle, il
existe sur le marché des installations démontrant ces principes, mais ces derniers sont trop
volumineux et coûteux. Des montages pédagogiques qui sont compacts représentent donc une
solution appropriée à la problématique posée. Le but du projet est de concevoir des montages
pédagogiques compacts illustrant les principes ci-haut mentionnés.
La première loi de la thermodynamique, concept pour lequel un prototype a été construit, est
démontrée par un mouvement de piston dans un cylindre, lui-même provoqué par une différence
de température. Un thermomètre à dilatation de l’eau, un montage simple qui représente un outil
faisant partie du quotidien de plusieurs, servira à faire une lecture de la température. La mesure
de pression, quant-à-elle, sera effectuée à l’aide d’un manomètre en forme de U. La différence
entre les principes de travail et chaleur sera démontrée avec deux expériences différentes. La
première démontre le principe de chaleur avec la conduction dans un morceau de cuivre, et la
deuxième met en évidence le travail par l’exploitation de la faible chaleur massique du plomb. Un
moteur Stirling actionné par la chaleur d’une paume de main a été conçu pour faire la
démonstration d’un cycle. Finalement, les changements de phases seront démontrés par le
chauffage de l’eau jusqu’à l’obtention de vapeur saturée.
Chacun de ces montages pourra être construit avec des pièces et matériaux simples qui peuvent
facilement être commandés ou même remplacés. Tous les éléments ont été pensés de manière à
ce qu’ils soient le plus petit possible et pourront facilement être transportés d’une salle de classe à
l’autre pour les démonstrations.

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Table des matières
Table des matières ...................................................................................................................... 4
1. Introduction......................................................................................................................... 7
1.1. Contexte.................................................................................................................... 7
1.2. Problématique .......................................................................................................... 7
1.3. Objectifs du projet .................................................................................................... 7
2. Travail réalisé ..................................................................................................................... 8
2.1 Le premier principe de la thermodynamique ......................................................... 8
2.2. Le thermomètre à dilatation thermique ............................................................... 27
2.3. La lecture de pression ........................................................................................... 31
2.4. Le second principe de la thermodynamique ........................................................ 34
2.5. Les changements de phase .................................................................................. 40
2.6. Travail et chaleur ................................................................................................... 44
2.7. Le moteur Stirling ................................................................................................... 49
2.8. Valise de transport ........................................................................................................... 57
Bilan des activités ...................................................................................................................... 58
3.1. Arrimage formation pratique/universitaire ............................................................. 58
3.2. Travail d’équipe ......................................................................................................... 58
3.3. Respect de l’échéancier ........................................................................................... 58
3.4. Coûts ....................................................................................................................... 60
3.5. Analyse et interprétation des résultats ................................................................ 63
3. Conclusion et recommandations .................................................................................... 63
4. Bibliographie ..................................................................................................................... 65
6.1. Sites Internet ............................................................................................................. 65
6.2. Livres .......................................................................................................................... 65
Annexe I : Fiche technique du piston choisi ............................................................................. 67
Annexe II : Fiche technique générale de la bouilloire choisie ................................................. 68
Annexe III : Fiche technique du capteur de position................................................................ 69
Annexe IV : Fiche technique du capteur de pression .............................................................. 70
Annexe IV : Fiche technique du capteur de pression (suite) ................................................... 71
Annexe V : Fiche technique de la carte d’acquisition .............................................................. 72