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RÉSUMÉ
La thermodynamique est à la base de l'énergétique, puisqu'elle sert à décrire et analyser le fonctionnement des systèmes énergétiques. Cet article décrit le formalisme de la thermodynamique sous cet angle de vue énergétique, utile notamment pour l'étude de machines thermiques et d'échangeurs de chaleur. Après une présentation du premier principe, l'article présente l'étude des systèmes fermés et des systèmes ouverts.
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André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur ès sciences - Professeur émérite des universités, Ancien directeur du département de Génie énergétique de l'INSA de Lyon
INTRODUCTION
La thermodynamique est l’une des sciences fondamentales. Elle est applicable dans un très grand nombre de situations, que ce soit dans le domaine de la mécanique, celui de la physique ou celui de la chimie. Elle permet d’analyser les transformations de systèmes aussi divers que des moteurs ou des corps en réactions chimiques, voire même des êtres vivants, en relation avec leurs échanges de matière et d’énergie avec l’environnement. Plus particulièrement, il est possible d’affirmer que cette science est à la base de l’énergétique, puisqu’elle sert à décrire et à analyser le fonctionnement des systèmes énergétiques et d’en rechercher les fonctionnements optimisés.
L’objectif des paragraphes qui lui sont consacrés dans cet article n’est pas d’en faire une présentation exhaustive, mais d’en décrire le formalisme utilisable pour analyser les problèmes en prise directe avec les systèmes énergétiques tels que les machines thermiques et les échangeurs de chaleur notamment, voire leur accouplement. Cet objectif exclut, entre autres, les aspects chimiques de la thermodynamique pourtant utiles dans les études sur la combustion par exemple. Le lecteur qui s’intéresse à ces problèmes trouvera la présentation correspondante dans les articles « Thermodynamique chimique » du traité Physique énergétique.
Le premier principe de la thermodynamique est à la fois un principe d’équivalence et un principe de conservation. En effet, il stipule, d’une part, que toutes les énergies sont équivalentes sur le plan quantitatif, en particulier l’énergie thermique et l’énergie mécanique, d’autre part, que globalement l’énergie se conserve : elle ne peut ni être créée, ni être détruite, ce qui implique que tout échange d’énergie entre un système et son environnement doit se traduire par une variation en quantité égale de l’énergie contenue dans le système. En revanche ce principe autorise et permet d’étudier les transformations d’un type d’énergie en un autre type d’énergie à l’aide de systèmes particuliers que sont les machines électriques (moteur ou alternateur – énergie électrique/énergie mécanique), les machines thermiques (moteurs, turbines, machines frigorifiques, pompes à chaleur – énergie thermique /énergie mécanique ou électrique), etc. Par opposition au premier principe, le deuxième principe de la thermodynamique met en évidence une différence de qualité entre les diverses formes d’énergie.
Après le rappel d’un certain nombre de définitions, indispensables à une bonne compréhension de l’exposé, cet article montre comment le principe de conservation de l’énergie découle du principe (plus ancien) d’équivalence et débouche sur un concept très large. Dans une troisième partie, on se concentre sur les transformations thermomécaniques des systèmes fermés (sans échange de matière avec l’environnement) et on s’attache, plus particulièrement, à associer des principes classiques en mécanique (principe de l’énergie cinétique) au principe de conservation de l’énergie. La notion d’enthalpie, capitale en matière de thermodynamique technique, est introduite. Enfin, la dernière partie traite des systèmes ouverts et des bilans d’énergie et d’enthalpie associés à ce concept qui est le fondement des études des systèmes thermiques.
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2. Premier principe
Historiquement, le premier principe de la thermodynamique a été appelé principe d’équivalence car il stipulait l’équivalence entre deux formes d’énergie : l’énergie mécanique et l’énergie thermique. Plus généralement, ce principe est encore celui de la conservation de l’énergie. En mécanique rationnelle par exemple, ce principe est utilisé sous une forme particulière. Ainsi, si un mobile n’est soumis qu’à un champ de forces dérivant d’un potentiel, la somme de son énergie potentielle et de son énergie cinétique est constante. Il y a conservation de l’énergie globale.
2.1 Principe d’équivalence
Énoncé du principe d’équivalence : si, au cours d’une transformation cyclique, un système quelconque ne peut échanger avec le milieu extérieur que du travail et de la chaleur, la somme du travail et de la chaleur reçus par le système est nulle.
Dans cet énoncé classique, le terme « échanger » a une très grande importance. En effet, le « travail » n’est pas le travail effectué par les forces appliquées au système, mais en réalité l’énergie mécanique échangée entre le système et le milieu extérieur. Ces deux notions sont parfois différentes.
considérons un système constitué par une personne qui monte des escaliers. Cette personne effectue un travail mais elle n’échange aucune énergie mécanique avec le milieu extérieur. Il suffit pour s’en convaincre de constater que le milieu extérieur n’a fourni, ni reçu aucune énergie mécanique au cours de l’ascension de cette personne.
Ce point étant précisé, si on note par W l’énergie mécanique échangée (souvent appelée travail par abus de langage) et par Q la quantité de chaleur ou énergie thermique échangée entre le système et le milieu extérieur, au cours du cycle, le principe d’équivalence s’exprime par :
Ce principe montre...
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