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Article

1 - MOTEURS ET SOURCES D’ÉNERGIE. QUALITÉ DE L’ÉNERGIE

2 - VARIABLES INTENSIVES ET EXTENSIVES. ENTROPIE

3 - CONSERVATION DES EXTENSITÉS. DEUXIÈME PRINCIPE

4 - APPLICATION DU DEUXIÈME PRINCIPE

| Réf : BE8007 v1

Conservation des extensités. Deuxième principe
Thermodynamique appliquée - Deuxième principe. Entropie

Auteur(s) : André LALLEMAND

Date de publication : 10 janv. 2005

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RÉSUMÉ

Chaque type d'énergie est formé par le produit d'une variable intensive et d'une variable extensive et pour l'énergie thermique, ces variables sont la température et l'entropie. L'expression générale de la variation d'entropie d'un système quelconque est reliée aux échanges entropiques avec des sources thermiques et aux irréversibilités internes et externes. Les convertisseurs d'énergie que sont les moteurs et les générateurs thermodynamiques sont définis. Le second principe apparaît alors comme la possibilité de faire fonctionner un générateur thermique avec une seule source de chaleur, moyennant une création d'entropie. Enfin, la définition du convertisseur de Carnot et de son rendement permet de comparer les machines réelles aux machines théoriques

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Auteur(s)

  • André LALLEMAND : Ingénieur, docteur ès sciences - Professeur des universités à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon

INTRODUCTION

Le langage courant mentionne l’existence des « énergies » thermiques, mécaniques, renouvelables, fossiles, nucléaire, etc. Ce langage courant va même jusqu’à mentionner des pertes d’énergie. Or, le premier principe de la thermodynamique stipule la conservation de l’énergie. Une perte d’énergie est donc un non sens scientifique. Un langage correct doit faire état de diverses formes d’énergie ou de différents types d’énergie. On peut alors effectivement constater une « perte d’énergie mécanique » par exemple au bénéfice d’un « gain d’énergie thermique ». Il s’agit d’une conversion d’un type d’énergie en un autre type. Le premier principe traduit ainsi une équivalence entre les différents types d’énergie : un type d’énergie en vaut un autre sur le plan quantitatif.

Or le sens commun, intuitif, ne place pas toutes les formes d’énergie sur le même plan d’où la notion de « perte ». Par exemple, de l’énergie mécanique est convertie en énergie thermique spontanément par frottement, de l’énergie électrique se transforme aussi facilement en énergie thermique par effet Joule ; on n’observe pas l’inverse. Mieux encore, chacun sait, par exemple, que de la chaleur à haute température est plus intéressante que de la chaleur à température moyenne. De la même manière, il vaut mieux disposer d’un gaz sous forte pression que sous la pression atmosphérique, le premier pouvant réaliser un certain travail. Ainsi apparaît la notion de qualité de l’énergie, associée à celle de quantité.

Quantité et qualité sont indissociables des concepts énergétiques et sont à la base du fondement de la thermodynamique que sont les premier et deuxième principes. Si le premier principe apparaît comme étant celui de la quantité, le deuxième principe est celui de la qualité ou de la différence entre les formes d’énergie et de l’intérêt des variables intensives. En effet, pour étayer ce dernier point, on note que, s’il est plus intéressant de disposer d’énergie thermique à haute température, c’est tout simplement parce qu’on constate que la chaleur va naturellement du chaud vers le froid, soit d’un système à haute température vers un système à plus basse température. De même en hydraulique, l’eau va naturellement de l’altitude la plus haute vers une altitude plus basse, jamais dans l’autre sens, si ce n’est en utilisant une pompe pour le faire. Température et altitude sont des paramètres (ou variables) intensifs, comme la pression, la tension électrique, la force, etc., et ce sont ces paramètres qui règlent le sens des échanges énergétiques. De plus, la rapidité des échanges (puissance) entre deux éléments est liée au gradient d’intensité qui existe entre eux.

Le deuxième principe est aussi celui des notions d’entropie, d’irréversiblité et de création d’entropie. C’est celui de l’opposition entre échanges quasi statiques, réversibles (donc à puissance nulle et conservation de l’entropie) et échanges efficaces, irréversibles (à puissance finie et création d’entropie).

Ce sont l’ensemble de ces concepts qui font l’objet de cet article.

Dans l’article qui suit Thermodynamique appliquée- Bilans entropiques et exergétiques, ces concepts sont développés afin de pouvoir quantifier les irréversibilités et avoir ainsi une indication chiffrée sur leurs incidences sur le fonctionnement des systèmes énergétiques. Les méthodes d’analyses basées sur les bilans entropiques et exergétiques y sont présentées. Les deux articles sont donc indissociables.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8007


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3. Conservation des extensités. Deuxième principe

3.1 Évolution des variables (autres que T et S ) au cours de la réunion de deux systèmes

HAUT DE PAGE

3.1.1 Variables intensives

Si l’on met en relation deux systèmes, dont tous les points ont la même variable intensive ou tension, aucun phénomène macroscopique n’apparaît (il n’y a en particulier aucun transfert d’énergie de l’un à l’autre). La tension finale du système est la même que la tension initiale de chacun des deux systèmes séparés.

Si les systèmes étudiés ne sont pas d’égale tension, la tension finale du système commun a nécessairement une valeur A f comprise entre celles des tensions initiales A1 et A2 . Si par exemple A1 < A2 , on aura :

A1 < Af < A2

HAUT DE PAGE

3.1.2 Variables extensives

Les variables extensives sont additives. En effet, un système résultant de l’addition de deux systèmes initiaux (1) et (2) de même nature a pour valeur extensive la somme des variables extensives des systèmes initiaux :

af = a 1 + a 2

Si l’extensité d’un système évolue, cette variation d’extensité ne peut se faire qu’au détriment (ou en faveur) de l’extensité de même nature du milieu extérieur. Autrement dit, si un système est isolé, ses variables extensives ne peuvent évoluer. Cette remarque évidente doit être cependant soulignée avec force car c’est là que réside, comme nous le verrons au paragraphe ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SIENIUTYCZ (S.) -   Thermodynamics of development of energy systems with applications to thermal machines and living organisms.  -  Periodica Polytechnica Ser. Chen. Eng. 44 (1) 49-80 (2000).

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