Thermodynamique 1 : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 8 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Loi des gaz parfaits

Loi des gaz parfaits: pV = nRT
Constante des gaz parfaits: R = 8,314 J/(mol·K)
Loi combinée des gaz: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Moles: n = m/M
Température: T[K] = T[°C] + 273,15

Bilan d’énergie

Chaleur sensible: Q = ṁ·c_p·ΔT
Chaleur latente: Q = ṁ·h_fg
Mélange: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Eau: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Rendement: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Rendement de Carnot: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP du réfrigérateur: COP_R = Q_C/W
COP de la pompe à chaleur: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Bilan d’énergie: Q_H = W + Q_C

Cycles moteurs à gaz

Isentropique, rapport des volumes: T₂/T₁ = r^k−1
Isentropique, rapport des pressions: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Rendement du cycle d’Otto: η = 1 − 1/r^k−1
Rendement du cycle Diesel: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Rendement du cycle de Brayton: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Chaleur apportée: Otto : c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton : c_p(T₃ − T₂)
Travail net du cycle de Brayton: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Rendements isentropiques: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Hypothèse air froid: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Exercices

1.Loi des gaz parfaitsMoyen

Un réservoir de 30 L contient 390 g de CH₄ à 45 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 390 gM = 16,04 g/molV = 30 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Loi des gaz parfaitsDifficile

Trouvez la masse volumique ρ de CH₄ à 450 kPa et 130 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 16,04 g/molP = 450 kPaT = 130 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Bilan d’énergieMoyen

Du huile légère chaud refroidit de l’eau dans un échangeur à contre-courant sans pertes. Trouvez la température de sortie de l’eau t_out.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 60 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Bilan d’énergieDifficile

Du éthanol chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 10 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁ_c nécessaire.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Ct: 10 → 80 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Moteurs thermiques et réfrigérateursMoyen

Un moteur thermique fonctionne entre une source chaude à 300 °C et une source froide à 30 °C. Il reçoit 3200 kJ de chaleur. Trouvez le travail maximal W_max qu’il pourrait produire.

T_H = 300 °CT_L = 30 °CQ_H = 3200 kJ

W_max = kJ

6.Moteurs thermiques et réfrigérateursDifficile

Un réfrigérateur maintient son compartiment à 5 °C dans une cuisine à 30 °C, en extrayant la chaleur du compartiment à raison de 1,5 kW. Trouvez la puissance minimale à fournir Ẇ_min.

T_H = 30 °CT_L = 5 °CQ̇_L = 1,5 kW

Ẇ_min = kW

7.Cycles moteurs à gazMoyen

Un cycle Diesel idéal a un rapport volumétrique r = 17 et un rapport d’injection r_c = v₃/v₂ = 1,8. Utilisez les hypothèses de l’air standard froid : l’air est un gaz parfait à capacités thermiques constantes, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) et c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Trouvez son rendement thermique η en pourcentage.

r = 17r_c = 1,8k = 1,4

η = %

8.Cycles moteurs à gazDifficile

Un cycle de Brayton idéal fonctionne avec un rapport de pression au compresseur de 15. Utilisez les hypothèses de l’air standard froid : l’air est un gaz parfait à capacités thermiques constantes, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) et c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Trouvez son rendement thermique η en pourcentage.

r_p = 15k = 1,4

η = %

3Solutions

1.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 2144 kPa

Loi des gaz parfaits : PV = nRT, avec n = m/M.

Moles

n = m/M = 390/16,04 = 24,31 mol

T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Pression

P = nRT/V = 24,31·8,314·318,1/0,03 = 2144 kPa

Réponse

P = 2144 kPa

2.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 2,153 kg/m³

Masse volumique d’un gaz parfait : ρ = PM/(RT).

Réarranger la loi des gaz

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 130 + 273,15 = 403,1 K

Masse volumique

ρ = 450·16,04/(8,314·403,1) = 2,153 kg/m³

Réponse

ρ = 2,153 kg/m³

3.Bilan d’énergie

Réponse: t_out = 60,14 °C

Bilan d’énergie de l’échangeur : sans pertes, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Chaleur cédée par le flux chaud

Q = 1·2,1·(150 − 60) = 189 kW

Chaleur reçue par l’eau

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 189/(1,5·4,18) = 60,14 °C

Réponse

t_out = 60,14 °C

4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁ_c = 0,1126 kg/s

Bilan d’énergie avec pertes : chaleur cédée = chaleur absorbée + chaleur perdue.

Chaleur cédée

Q_h = 0,5·2,44·(150 − 120) = 36,6 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Q_c = (1 − 0,1)·36,6 = 32,94 kW

Débit d’eau

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 32,94/(4,18·70) = 0,1126 kg/s

Réponse

ṁ_c = 0,1126 kg/s

5.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: W_max = 1507 kJ

Limites du second principe : aucun cycle entre des sources aux températures absolues T_H et T_L ne peut battre le cycle réversible (de Carnot) : η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) et COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). L’énergie est toujours conservée : Q_H = W + Q_L.

Températures absolues

T_H = 300 + 273,15 = 573,1 K

T_L = 30 + 273,15 = 303,1 K

Rendement de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 303,1/573,1 = 47,11 %

Travail maximal

W_max = η_max·Q_H = 0,4711·3200 = 1507 kJ

Réponse

W_max = 1507 kJ

6.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: Ẇ_min = 0,1348 kW

Températures absolues

T_H = 30 + 273,15 = 303,1 K

T_L = 5 + 273,15 = 278,1 K

Meilleur COP possible

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 278,1/(303,1 − 278,1) = 11,13

Puissance minimale

Le moins de travail est demandé par une machine réversible, qui a le COP le plus élevé.

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 1,5/11,13 = 0,1348 kW

Réponse

Ẇ_min = 0,1348 kW

7.Cycles moteurs à gaz

Réponse: η = 63,29 %

Cycle Diesel (moteur à allumage par compression) : 1→2 compression isentropique, 2→3 apport de chaleur à pression constante, 3→4 détente isentropique, 4→1 rejet de chaleur à volume constant. Avec le rapport volumétrique r = v₁/v₂ et le rapport d’injection r_c = v₃/v₂ : T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) et η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Terme d’injection

(1,8^1,4 − 1)/(1,4·(1,8 − 1)) = 1,14

Rendement thermique

η = 1 − 0,322·1,14 = 63,29%

Réponse

η = 63,29%

8.Cycles moteurs à gaz

Réponse: η = 53,87 %

Cycle de Brayton (turbine à gaz) : 1→2 compression isentropique, 2→3 apport de chaleur à pression constante, 3→4 détente isentropique dans la turbine, 4→1 rejet de chaleur à pression constante. Avec le rapport de pression r_p = P₂/P₁ : T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k et η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Travail net w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Avec les rendements isentropiques, le compresseur demande w_s/η_c et la turbine fournit η_t·w_s.

Rendement thermique

η = 1 − 1/15^0,2857 = 1 − 1/2,168 = 53,87%

Réponse

η = 53,87%

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