Diagrammes thermodynamiques - Généralités sur les fluides

Un diagramme de fluide thermodynamique se présente sous forme d'un graphique plan comportant le tracé d'un certain nombre de courbes remarquables, notamment des familles d'isovaleurs de ses fonctions d'état.

En mettant en évidence les transformations subies par ces fluides et en permettant de les calculer, au moins de manière approchée, les diagrammes font partie des outils de base du thermodynamicien.

Pour un diagramme papier, la lecture de l'état d'un point se fait d'une part sur les axes, et d'autre part par interpolation entre les courbes d'isovaleurs. Pour un diagramme interactif, elle s'obtient par un simple clic de souris, les valeurs précises étant affichées à l'écran.

Comme nous le montrons dans cet article, différents systèmes de coordonnées sont retenus selon les cas, les plus utilisés pour les corps purs étant le diagramme entropique (T, s), le diagramme (h, ln P) dit des frigoristes et le diagramme de Mollier (h, s).

Même si les progiciels de calcul des propriétés des fluides sont de plus en plus répandus, les diagrammes thermodynamiques continuent de jouer un rôle essentiel.

Leur intérêt est triple :

• permettre de visualiser les propriétés des fluides ;

• permettre de représenter graphiquement les cycles ;

• faciliter l'estimation des caractéristiques thermodynamiques des fluides.

Le troisième intérêt a tendance à diminuer tandis que les deux premiers conservent toute leur actualité. En particulier, visualiser sur un diagramme un cycle calculé à l'aide d'un outil informatisé permet même souvent de s'assurer qu'il ne comporte pas de point aberrant dû à une erreur lors de l'entrée des données...

C'est parce que l'étude des diagrammes thermodynamiques est indissociable de celle des fluides qu'une série de quatre articles leur est dédiée :

• la présentation des généralités sur les diagrammes avec un rappel des bases de thermodynamique, objet du présent article [BE 8 040] ;

• l'analyse des diagrammes des fluides purs, des mélanges azéotropiques et des gaz idéaux (article [BE 8 041] « Diagrammes thermodynamiques. Fluides purs, azéotropes et gaz idéaux ») ;

• l'étude des diagrammes de mélanges de fluides non azéotropiques (article [BE 8 042] « Diagrammes thermodynamiques. Mélanges utilisés dans les machines thermiques » ;

• une présentation de quelques progiciels de thermodynamique [BE 8 044].

D'une manière générale, nous avons volontairement adopté une présentation aussi simple que possible des choses, orientée vers la seule compréhension des diagrammes et des progiciels de thermodynamique, avec quelques indications sur leur construction pratique.

Les lecteurs intéressés par de plus amples développements théoriques pourront se reporter aux références bibliographiques, et en particulier à l'article [BE 8 020]. Propriétés thermodynamiques des fluides.

Enfin, précisons que ces articles font, de très larges emprunts au chapitre 2 de l'ouvrage « Systèmes Énergétiques, Tome 1 : méthodologie d'analyse, bases de thermodynamique, Thermoptim » . Les notations sont celles de ce livre, à quelques variantes près effectuées par souci d'homogénéité avec d'autres articles de cette collection.