Thermodynamique

Thermodynamique

Souvent perçue comme une science absconse et essentiellement mathématique, la thermodynamique s’applique à l’étude des manifestations d’énergie sous toutes ses forme.

Il va de soit que la thermodynamique est une matière centrale dans le cursus Génie Thermique et Énergie.

 

Initialement créée au 19ème siècle par Carnot, Joule, Kelvin et Clausius pour l’étude des machines à vapeur, cette science de technicien a acquis une dimension fondamentale avec des applications en chimie, sciences de la vie, théorie de l’information … Cette dimension universelle est d’ailleurs formulée dans l ‘énoncé des deux principes de la thermodynamique « L‘énergie de l’univers est une constante » « l’entropie de l’univers tend vers un maximum ».

 

Derrière ces concepts généraux, se cachent des faits physiques concrets : les corps chauds se refroidissent, mais les corps froids ne se réchauffent pas. Une balle qu’on a lâché rebondit de moins en moins haut avant de s’immobiliser, alors qu’une balle immobile ne se met pas à sautiller spontanément… Nous verrons comment ces concepts conduisent à la notion de rendement d’une machine motrice.

 

Lors du premier semestre, les différents états de la matière et leurs transformations sont présentés, en insistant sur la notion primordiale de bilans massiques et énergétiques. On précisera aussi que la complexité des phénomènes réels impose, pour permettre des approches rapides et, de plus, facilement compréhensibles au débutant, de définir des schématisations qui conduisent à des calculs simples, mais qui entraînent des approximations qui peuvent être fortes (notions de fluides incompressibles, de gaz parfaits, de transformations réversibles, de phénomènes adiabatiques…), et que ce n’est qu’ensuite que l’on utilise des représentations plus conformes à la réalité .

 

L’utilisation de l’énergie dans notre quotidien est abordée au deuxième semestre. Une première partie présente un panorama de la situation énergétique mondiale, en donnant des ordres de grandeurs sur notre consommation d’énergie. Nous verrons notamment que la grande partie de l’énergie utilisée est issue de la transformation d’une énergie dite primaire (de la chaleur) en une énergie dite secondaire (du travail mécanique). Cette transformation est bridée par un rendement, c’est à dire que seule une partie de l’énergie primaire est transformée en énergie secondaire, l’autre partie étant perdue. Pour diminuer les pertes, il faut donc améliorer le rendement.

On en viendra alors naturellement à l’application des deux principes de la thermodynamique aux machines thermiques, c’est à dire la transformation d’énergie thermique en énergie mécanique, et vice-versa. On s’intéressera principalement au cycle idéalisé des machines à vapeur (utilisé dans les centrales électriques thermiques, nucléaire ou non) ainsi qu’au cycle idéalisé des pompes à chaleur et des réfrigérateurs. Ainsi la notion de rendement lors d’une transformation d’énergie sera placée au cœur de ce cours.

Finalement, l’impact de ces transformations sur notre environnement sera abordé.

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