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 120 g de He à 100 kPa et 25 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 120 gM = 4,003 g/molP = 100 kPaT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Loi des gaz parfaitsDifficile

Trouvez la masse volumique ρ de CO₂ à 450 kPa et 90 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 44,01 g/molP = 450 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Bilan d’énergieMoyen

Du éthanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 120 °Cṁ_c = 2 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: 130 → 70 °Ct: 30 → 75 °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 675 °C et une source froide à 20 °C. Il reçoit 600 kJ de chaleur. Trouvez le travail maximal W_max qu’il pourrait produire.

T_H = 675 °CT_L = 20 °CQ_H = 600 kJ

W_max = kJ

6.Moteurs thermiques et réfrigérateursDifficile

Deux moteurs de Carnot fonctionnent en série. Le moteur A reçoit de la chaleur d’une source à 550 °C et rejette de la chaleur vers une source intermédiaire à la température T_m. Le moteur B prend toute cette chaleur et rejette de la chaleur vers une source à 10 °C. Les deux moteurs ont le même rendement thermique. Trouvez T_m en °C.

T_H = 550 °CT_L = 10 °C

T_m = °C

7.Cycles moteurs à gazMoyen

Un cycle Diesel idéal a un rapport volumétrique r = 18 et un rapport d’injection r_c = v₃/v₂ = 1,5. Au début de la compression, l’air est à 310 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 = 18r_c = 1,5T₁ = 310 Kk = 1,4

T₃ = K

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: V = 743,1 L

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

Moles

n = 120/4,003 = 29,98 mol

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

Volume

V = nRT/P = 29,98·8,314·298,1/100 = 743,1 L

Réponse

V = 743,1 L

2.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 6,559 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 = 90 + 273,15 = 363,1 K

Masse volumique

ρ = 450·44,01/(8,314·363,1) = 6,559 kg/m³

Réponse

ρ = 6,559 kg/m³

3.Bilan d’énergie

Réponse: t_out = 37,51 °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 = 1,5·2,44·(160 − 120) = 146,4 kW

Chaleur reçue par l’eau

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 146,4/(2·4,18) = 37,51 °C

Réponse

t_out = 37,51 °C

4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁ_c = 0,5694 kg/s

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

Chaleur cédée

Q_h = 1·2,1·(130 − 70) = 126 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Q_c = (1 − 0,15)·126 = 107,1 kW

Débit d’eau

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 107,1/(4,18·45) = 0,5694 kg/s

Réponse

ṁ_c = 0,5694 kg/s

5.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: W_max = 414,5 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 = 675 + 273,15 = 948,1 K

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

Rendement de Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 293,1/948,1 = 69,08 %

Travail maximal

W_max = η_max·Q_H = 0,6908·600 = 414,5 kJ

Réponse

W_max = 414,5 kJ

6.Moteurs thermiques et réfrigérateurs

Réponse: T_m = 209,6 °C

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 = 550 + 273,15 = 823,1 K

T_L = 10 + 273,15 = 283,1 K

Rendements égaux

1 − T_m/T_H = 1 − T_L/T_m donne T_m² = T_H·T_L.

T_m = √(823,1·283,1) = 482,8 K = 209,6 °C

Réponse

T_m = 209,6 °C

7.Cycles moteurs à gaz

Réponse: T₃ = 1478 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 = 310·18^0,4 = 985,1 K

Apport de chaleur à pression constante

T₃ = r_c·T₂ = 1,5·985,1 = 1478 K

Réponse

T₃ = 1478 K

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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