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

Quel volume V occupent 160 g de Ar à 350 kPa et 15 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 160 gM = 39,95 g/molP = 350 kPaT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Loi des gaz parfaitsDifficile

Trouvez la masse volumique ρ de O₂ à 650 kPa et 130 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 32 g/molP = 650 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 = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 80 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Bilan d’énergieDifficile

Du huile légère 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 = 3 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 100 °Ct: 25 → 45 °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 525 °C et une source froide à 40 °C. Il reçoit 3400 kJ de chaleur. Trouvez le travail maximal W_max qu’il pourrait produire.

T_H = 525 °CT_L = 40 °CQ_H = 3400 kJ

W_max = kJ

6.Moteurs thermiques et réfrigérateursDifficile

Un moteur thermique reçoit 500 kJ de chaleur d’une source à 800 °C, produit 215 kJ de travail et rejette le reste vers une source à 25 °C, par cycle. Trouvez l’entropie totale créée S_gen par cycle.

T_H = 800 °CT_L = 25 °CQ_H = 500 kJW = 215 kJ

S_gen = kJ/K

7.Cycles moteurs à gazMoyen

Un cycle Diesel idéal a un rapport volumétrique r = 19 et un rapport d’injection r_c = v₃/v₂ = 3. 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 = 19r_c = 3k = 1,4

η = %

8.Cycles moteurs à gazDifficile

Une installation de turbine à gaz fonctionne selon un cycle de Brayton avec un rapport de pression au compresseur de 16. L’air entre dans le compresseur à 290 K et dans la turbine à 1200 K. Les deux machines sont isentropiques. 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 le travail net fourni w_net par kilogramme d’air, en kJ/kg.

r_p = 16T₁ = 290 KT₃ = 1200 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Solutions

1.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 27,41 L

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

Moles

n = 160/39,95 = 4,005 mol

T = 15 + 273,15 = 288,1 K

Volume

V = nRT/P = 4,005·8,314·288,1/350 = 27,41 L

Réponse

V = 27,41 L

2.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 6,206 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 = 650·32/(8,314·403,1) = 6,206 kg/m³

Réponse

ρ = 6,206 kg/m³

3.Bilan d’énergie

Réponse: t_out = 35,07 °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 = 0,5·2,1·(140 − 80) = 63 kW

Chaleur reçue par l’eau

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 63/(1·4,18) = 35,07 °C

Réponse

t_out = 35,07 °C

4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁ_c = 2,713 kg/s

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

Chaleur cédée

Q_h = 3·2,1·(140 − 100) = 252 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Q_c = (1 − 0,1)·252 = 226,8 kW

Débit d’eau

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 226,8/(4,18·20) = 2,713 kg/s

Réponse

ṁ_c = 2,713 kg/s

5.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: W_max = 2066 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 = 525 + 273,15 = 798,1 K

T_L = 40 + 273,15 = 313,1 K

Rendement de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 313,1/798,1 = 60,77 %

Travail maximal

W_max = η_max·Q_H = 0,6077·3400 = 2066 kJ

Réponse

W_max = 2066 kJ

6.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: S_gen = 0,49 kJ/K

Création d’entropie : sur un cycle complet, le fluide de travail n’a pas de variation nette d’entropie. La source chaude perd Q_H/T_H et la source froide gagne Q_L/T_L. Leur somme est l’entropie créée, nulle pour un cycle réversible et positive pour tout cycle réel.

Chaleur rejetée

Q_L = Q_H − W = 500 − 215 = 285 kJ

Températures absolues

T_H = 800 + 273,15 = 1073 K

T_L = 25 + 273,15 = 298,1 K

Variations d’entropie des sources

ΔS_H = −500/1073 = −0,4659 kJ/K

ΔS_L = 285/298,1 = 0,9559 kJ/K

S_gen = 0,9559 − 0,4659 = 0,49 kJ/K

Réponse

S_gen = 0,49 kJ/K

S_gen > 0, donc le moteur est possible mais irréversible.

7.Cycles moteurs à gaz

Réponse: η = 59,79 %

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

(3^1,4 − 1)/(1,4·(3 − 1)) = 1,306

Rendement thermique

η = 1 − 0,308·1,306 = 59,79%

Réponse

η = 59,79%

8.Cycles moteurs à gaz

Réponse: w_net = 307,7 kJ/kg

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.

Températures isentropiques

T₂ = 290·16^0,2857 = 640,4 K

T₄ = 1200/16^0,2857 = 543,4 K

Travaux du compresseur et de la turbine

w_c = 1,005·(640,4 − 290) = 352,1 kJ/kg

w_t = 1,005·(1200 − 543,4) = 659,8 kJ/kg

Travail net

w_net = 659,8 − 352,1 = 307,7 kJ/kg

Réponse

w_net = 307,7 kJ/kg

Rapport de travail de compression : w_c/w_t = 53,36%.

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