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 20 L contient 200 g de He à 55 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 200 gM = 4,003 g/molV = 20 LT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Loi des gaz parfaitsDifficile

Une quantité fixe de CO₂ passe de 250 kPa, 5 L, 40 °C à 500 kPa et 240 °C. Trouvez le nouveau volume V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 5 LT₁ = 40 °CP₂ = 500 kPaT₂ = 240 °C

V₂ = L

3.Bilan d’énergieMoyen

Du mélange glycolé 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 = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 90 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Bilan d’énergieDifficile

Du huile légère chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 5 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁ_c nécessaire.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 70 °Ct: 30 → 60 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Moteurs thermiques et réfrigérateursMoyen

Un moteur thermique fonctionne entre une source chaude à 550 °C et une source froide à 30 °C. Trouvez le rendement thermique maximal possible η_max.

T_H = 550 °CT_L = 30 °C

η_max = %

6.Moteurs thermiques et réfrigérateursDifficile

Un moteur thermique reçoit 4200 kJ de chaleur d’une source à 350 °C, produit 1092 kJ de travail et rejette le reste vers une source à 20 °C, par cycle. Trouvez l’entropie totale créée S_gen par cycle.

T_H = 350 °CT_L = 20 °CQ_H = 4200 kJW = 1092 kJ

S_gen = kJ/K

7.Cycles moteurs à gazMoyen

Un cycle Diesel idéal a un rapport volumétrique r = 22 et un rapport d’injection r_c = v₃/v₂ = 2. 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 = 22r_c = 2k = 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 10. L’air entre dans le compresseur à 310 K et dans la turbine à 1300 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 = 10T₁ = 310 KT₃ = 1300 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Solutions

1.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 6815 kPa

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

Moles

n = m/M = 200/4,003 = 49,96 mol

T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Pression

P = nRT/V = 49,96·8,314·328,1/0,02 = 6815 kPa

Réponse

P = 6815 kPa

2.Loi des gaz parfaits

Réponse: V₂ = 4,097 L

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

Températures absolues

T₁ = 313,1 K, T₂ = 513,1 K

Loi combinée des gaz

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(250/500)·(513,1/313,1) = 4,097 L

Réponse

V₂ = 4,097 L

3.Bilan d’énergie

Réponse: t_out = 92,51 °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 = 1,5·3,6·(150 − 90) = 324 kW

Chaleur reçue par l’eau

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 324/(1·4,18) = 92,51 °C

Réponse

t_out = 92,51 °C

4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁ_c = 2,545 kg/s

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

Chaleur cédée

Q_h = 2·2,1·(150 − 70) = 336 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Q_c = (1 − 0,05)·336 = 319,2 kW

Débit d’eau

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 319,2/(4,18·30) = 2,545 kg/s

Réponse

ṁ_c = 2,545 kg/s

5.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: η_max = 63,17 %

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 = 550 + 273,15 = 823,1 K

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

Rendement de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 303,1/823,1 = 63,17 %

Réponse

η_max = 63,17 %

6.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: S_gen = 3,862 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 = 4200 − 1092 = 3108 kJ

Températures absolues

T_H = 350 + 273,15 = 623,1 K

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

Variations d’entropie des sources

ΔS_H = −4200/623,1 = −6,74 kJ/K

ΔS_L = 3108/293,1 = 10,6 kJ/K

S_gen = 10,6 − 6,74 = 3,862 kJ/K

Réponse

S_gen = 3,862 kJ/K

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

7.Cycles moteurs à gaz

Réponse: η = 66 %

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

(2^1,4 − 1)/(1,4·(2 − 1)) = 1,171

Rendement thermique

η = 1 − 0,2904·1,171 = 66%

Réponse

η = 66%

8.Cycles moteurs à gaz

Réponse: w_net = 339,8 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 = 310·10^0,2857 = 598,5 K

T₄ = 1300/10^0,2857 = 673,3 K

Travaux du compresseur et de la turbine

w_c = 1,005·(598,5 − 310) = 290 kJ/kg

w_t = 1,005·(1300 − 673,3) = 629,8 kJ/kg

Travail net

w_net = 629,8 − 290 = 339,8 kJ/kg

Réponse

w_net = 339,8 kJ/kg

Rapport de travail de compression : w_c/w_t = 46,04%.

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