Thermodynamique de l'ingénierie : Fondamentaux et principes
Les fondamentaux de la thermodynamique des ingénieurs jouent un rôle important dans l'amélioration du monde, en améliorant les performances des installations, des équipements et de leur conception globale.
Les facteurs critiques pour évaluer la performance des équipements incluent des éléments tels que le rendement du produit final, la consommation de matières premières, le coût de production et l'évaluation de l'impact environnemental. Les ingénieurs d'aujourd'hui utilisent le concept de thermodynamique pour examiner et réinventer des choses destinées à la sécurité et au confort humains.
La science de la thermodynamique existe depuis le 19e siècle. Depuis lors, les scientifiques et les ingénieurs ont fait des efforts constants pour la rendre aussi conviviale que possible.
Fondamentaux de la thermodynamique
Le mot thermodynamique est dérivé du mot grec thème (qui signifie chaleur) et dynamique (qui signifie force). Les professionnels de l'ingénierie s'intéressent à l'étude des systèmes et de leur interaction avec leur environnement.
Les concepts/définitions utilisés dans cette section sont utiles pour les lecteurs afin de comprendre le concept de la thermodynamique des ingénieurs (parfois appelée Ingénierie de la chaleur et de la puissance).
Système, Environnement et Univers
Un système est ce que nous voulons étudier et qui nous intéresse, la première étape consiste donc à définir précisément l'objectif de l'étude du système. L'objectif de l'étude du système peut être d'améliorer l'efficacité du système ou de réduire les pertes, etc. Un exemple de système peut être l'analyse du cycle de réfrigération dans une installation de stockage froid ou l'analyse du cycle de Rankine dans une centrale électrique.
Un système est défini comme une masse définie de substance pure délimitée par une surface fermée ou flexible ; de même, la composition de la matière à l'intérieur du système peut être fixe ou variable selon le cycle.
Les dimensions du système ne sont pas nécessairement constantes (comme l'air comprimé par un piston dans un compresseur) et peuvent varier (comme un ballon gonflé). La matière qui interagit avec le système de l'extérieur est appelée l'environnement et l'univers est le résultat du système et de l'environnement.
L'élément qui sépare le système de son environnement est appelé la frontière. La frontière du système peut être fixe ou en mouvement.
L'interaction entre le système et l'environnement se produit en traversant la frontière et joue donc un rôle très important en thermodynamique (c'est-à-dire en ingénierie de la chaleur et de la puissance).
Types de systèmes en thermodynamique
Il existe deux types de systèmes de base en thermodynamique :
Système fermé ou masse contrôlée: est associé à une quantité définie de matière. Contrairement à un système ouvert, dans un système fermé, il n'y a pas de flux massique de matière à travers la frontière du système. Il existe également un type spécial de système fermé qui ne communique pas et s'isole de l'environnement, appelé système isolé.
Volume contrôlé (Système ouvert): Le volume contrôlé est limité à une région de l'espace à travers laquelle la masse et l'énergie peuvent circuler et traverser la frontière du système. La frontière d'un système ouvert est appelée surface contrôlée ; cette surface contrôlée peut être réelle ou fictive.
Des exemples de volumes contrôlés sont des équipements impliquant un flux de masse traversant la frontière du système, tels que le flux d'eau dans les pompes, le flux de vapeur dans les turbines et le flux d'air dans les compresseurs d'air.
Thermodynamique microscopique
L'approche microscopique en thermodynamique, également appelée thermodynamique statistique, est associée à la structure de la matière et l'objectif de la thermodynamique statistique est de caractériser le comportement moyen des particules composant le système d'intérêt et, en retour, d'utiliser ces informations pour observer le comportement macroscopique du système.
Propriétés, états et processus thermodynamiques
Propriété thermodynamique
Une propriété thermodynamique est une caractéristique macroscopique d'un système. La valeur d'une propriété peut être attribuée à tout moment donné sans connaître sa valeur précédente ni son comportement.
Propriété extensive
Les propriétés dépendantes de la masse sont appelées propriétés extensives et leur valeur pour l'ensemble du système est la somme de leurs valeurs pour les parties dans lesquelles le système est divisé. Des exemples de propriétés extensives sont le volume, l'énergie et la masse. Les propriétés extensives dépendent de la taille du système et peuvent changer avec le temps.
Propriété intensive
Contrairement à la propriété extensive, une propriété intensive n'est pas dépendante de la masse et est non additive par nature et ne dépend pas de la taille totale du système. Elle peut varier à différents endroits à l'intérieur du système à tout moment. Des exemples de propriétés intensives sont la pression et la température.
État thermodynamique
Un état est défini comme la condition d'un système qui est mieux décrite par ses propriétés. La masse enfermée dans un système peut se trouver dans diverses conditions uniques, appelées état. Il existe des relations entre les propriétés d'un système, mais l'état peut être spécifié en fournissant la valeur d'un sous-ensemble des propriétés.
Processus thermodynamique
Les processus thermodynamiques sont la conversion d'un état à un autre. Si la valeur de la propriété macroscopique d'un système à deux moments différents est identique, alors le système est dit être dans le même état à ces moments. La condition d'état stable du système est atteinte si aucune de ses propriétés ne change au fil du temps.
Cycle d'équilibre du système
Un cycle d'équilibre thermodynamique est un processus séquentiel qui commence et se termine avec la condition du même état. Lorsque le cycle est terminé, toutes ses propriétés ont la même valeur qu'au début. Tous les cycles qui se répètent régulièrement jouent un rôle vital dans de nombreux domaines d'application, comme la circulation de condensat dans une centrale électrique thermique exécute un cycle.
Substance de travail
La théorie de la matière est utile pour comprendre le concept d'énergie. La matière est connue pour sa masse, son volume et l'espace qu'elle occupe, et indépendamment de sa structure et de sa nature, elle possède certaines caractéristiques telles que la constance et la fiabilité. La matière est faite d'un grand nombre de particules appelées molécules. On peut trouver de la matière solide, liquide ou gazeuse partout.
Dans la matière solide, les molécules sont proches les unes des autres et fortement liées, et ne peuvent pas se déplacer librement. Ainsi, une grande force est nécessaire pour modifier sa forme.
Les molécules dans une matière liquide ne sont pas fermement tenues et une très petite force suffit pour maintenir les molécules ensemble.
Dans un état gazeux, les molécules se déplacent de manière aléatoire et libre, comme si elles étaient dans un état non lié, et se déplacent très rapidement indépendamment de leurs molécules adjacentes. La compressibilité est associée aux gaz, qui ont beaucoup d'espaces vides entre les molécules connectées. L'énergie est la raison pour laquelle la matière existe dans différentes phases.
Substance pure
Un matériau de structure chimique unique ou d'homogénéité de structures chimiques variantes est connu sous le nom de substance pure. Le matériau peut exister dans une seule phase, comme un liquide, ou peut également exister dans plus d'une phase en équilibre les unes avec les autres. Un mélange uniforme de gaz ayant une composition chimique similaire est également désigné comme une substance pure.
L'importance de la substance pure réside dans la détermination des propriétés de la substance de travail dans différentes conditions de pression et de température.
Exemple: Pour une substance pure comme l'eau, elle peut être entièrement décrite par deux propriétés intensives souveraines appelées pression et température. Une autre substance pure est l'air dans l'état gazeux. Mais pour une substance non homogène, plus de deux propriétés sont nécessaires pour décrire l'état.
Équilibre thermodynamique
En mécanique, l'équilibre est dit atteint lorsque l'on équilibre les forces opposées. Mais le sens de l'équilibre thermodynamique est différent et plus large, car il implique un équilibre pour de nombreuses autres influences (entre le système et l'environnement) en plus de l'équilibre des forces opposées. Pour atteindre un équilibre complet à l'intérieur d'un système, il faut remplir les conditions d'équilibre mécanique, thermique, de phase et chimique.
