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 5 L contient 340 g de CH₄ à 45 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 340 gM = 16,04 g/molV = 5 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Loi des gaz parfaitsDifficile

Une quantité fixe de Ar passe de 150 kPa, 2 L, 25 °C à 250 kPa et 190 °C. Trouvez le nouveau volume V₂.

P₁ = 150 kPaV₁ = 2 LT₁ = 25 °CP₂ = 250 kPaT₂ = 190 °C

V₂ = L

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 = 1,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 80 °Cṁ_c = 3 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 15 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁ_c nécessaire.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 70 °Ct: 10 → 30 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Moteurs thermiques et réfrigérateursMoyen

Un moteur thermique fonctionne entre une source chaude à 450 °C et une source froide à 25 °C. Trouvez le rendement thermique maximal possible η_max.

T_H = 450 °CT_L = 25 °C

η_max = %

6.Moteurs thermiques et réfrigérateursDifficile

Une pompe à chaleur fournit 14,5 kW de chaleur à un système de chauffage à 20 °C, en prélevant de la chaleur à une source à 0 °C. Son COP réel vaut 40 % du COP de Carnot entre ces températures. Trouvez la puissance électrique Ẇ qu’elle consomme.

T_H = 20 °CT_L = 0 °Cη_II = 40%Q̇_H = 14,5 kW

Ẇ = kW

7.Cycles moteurs à gazMoyen

Un cycle Diesel idéal a un rapport volumétrique r = 16 et un rapport d’injection r_c = v₃/v₂ = 2. Au début de la compression, l’air est à 305 K. 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 la température T₃ à la fin de l’apport de chaleur, en K.

r = 16r_c = 2T₁ = 305 Kk = 1,4

T₃ = K

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 15. L’air entre dans le compresseur à 295 K et dans la turbine à 1400 K. Le compresseur a un rendement isentropique de 82 % et la turbine de 92 %. 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 = 15T₁ = 295 KT₃ = 1400 Kη_c = 82%η_t = 92%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Solutions

1.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 11214 kPa

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

Moles

n = m/M = 340/16,04 = 21,2 mol

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

Pression

P = nRT/V = 21,2·8,314·318,1/0,005 = 11214 kPa

Réponse

P = 11214 kPa

2.Loi des gaz parfaits

Réponse: V₂ = 1,864 L

Loi combinée des gaz : pour une quantité fixe de gaz parfait, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Températures absolues

T₁ = 298,1 K, T₂ = 463,1 K

Loi combinée des gaz

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(150/250)·(463,1/298,1) = 1,864 L

Réponse

V₂ = 1,864 L

3.Bilan d’énergie

Réponse: t_out = 42,61 °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 = 1,5·2,1·(170 − 80) = 283,5 kW

Chaleur reçue par l’eau

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 283,5/(3·4,18) = 42,61 °C

Réponse

t_out = 42,61 °C

4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁ_c = 1,495 kg/s

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

Chaleur cédée

Q_h = 1·2,1·(140 − 70) = 147 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Q_c = (1 − 0,15)·147 = 125 kW

Débit d’eau

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 125/(4,18·20) = 1,495 kg/s

Réponse

ṁ_c = 1,495 kg/s

5.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: η_max = 58,77 %

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 = 450 + 273,15 = 723,1 K

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

Rendement de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 298,1/723,1 = 58,77 %

Réponse

η_max = 58,77 %

6.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: Ẇ = 2,473 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

Températures absolues

T_H = 20 + 273,15 = 293,1 K

T_L = 0 + 273,15 = 273,1 K

COP de Carnot et COP réel

COP_max = 293,1/(293,1 − 273,1) = 14,66

COP = 0,4·14,66 = 5,863

Puissance consommée

Ẇ = Q̇_H/COP = 14,5/5,863 = 2,473 kW

Réponse

Ẇ = 2,473 kW

7.Cycles moteurs à gaz

Réponse: T₃ = 1849 K

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)).

Fin de compression

T₂ = 305·16^0,4 = 924,6 K

Apport de chaleur à pression constante

T₃ = r_c·T₂ = 2·924,6 = 1849 K

Réponse

T₃ = 1849 K

8.Cycles moteurs à gaz

Réponse: w_net = 275,1 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

T_2s = 295·15^0,2857 = 639,5 K

T_4s = 1400/15^0,2857 = 645,8 K

Travaux du compresseur et de la turbine

w_c = 1,005·(639,5 − 295)/0,82 = 422,2 kJ/kg

w_t = 0,92·1,005·(1400 − 645,8) = 697,3 kJ/kg

Travail net

w_net = 697,3 − 422,2 = 275,1 kJ/kg

Réponse

w_net = 275,1 kJ/kg

Rapport de travail de compression : w_c/w_t = 60,55%.

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