Etude de la faisabilité de climatisation d’une grande salle
La THERMODYNAMIQUE associe les deux mots grecs thermon (chaleur) et dynamis (puissance). Elle est alors une science qui étudie le comportement thermique des matières, de l’énergie et de ses transformations dans des systèmes à l’équilibre. Elle relie les concepts de la chaleur et de la température à ceux de la mécanique pure. Il est primordial de mettre en évidence la notion du système dans notre travail.
Systèmes
L’étude des systèmes est l’une des notions importantes en matière de thermodynamique. Un système est une portion de l’Univers que l’on isole par la pensée et tout ce qui est hors de ce système est appelé milieu extérieur. Il existe trois types de systèmes : – Les systèmes ouverts qui échangent la matière et l’énergie avec le milieu extérieur. Par exemple : une bouteille plastique d’eau ouverte : elle peut se remplir ou se vider, elle échange de la chaleur avec l’air ambiant et elle est déformable. – Les systèmes fermés qui n’échangent pas la matière avec le milieu extérieur mais qui peuvent échanger l’énergie sous forme de travail mécanique et de chaleur. Comme une bouteille d’eau en plastique fermée. Elle peut être déformée et elle échange de la chaleur avec l’extérieur mais la quantité de matière à l’intérieur ne change pas. – Les systèmes isolés où il n’y a aucun échange avec le milieu extérieur (ni matière, ni énergie) comme une bouteille de thermos qui est idéalement fermée et rigide. A signaler que dans ces systèmes, des phénomènes se produisent dont la transformation.
Transformations
On appelle transformation le passage d’un état d’équilibre initial à un état d’équilibre final. On identifie souvent les transformations par une variable d’état qui reste constante : une transformation à température constante (isotherme), à pression constante (isobare), à volume constant (isochore), à enthalpie constante (isenthalpique), et à entropie constante (isentropique). 3 Dans notre travail, on entend par transformation adiabatique une transformation au cours de laquelle le système n’échange pas de chaleur avec le milieu extérieur. Plus généralement, il existe deux grandes classes de transformations : – Les transformations réversibles : une fois la transformation effectuée, l’état initial peut être rejoint depuis l’état final en appliquant une action mineure sur le système. Elle est aussi de nature lente, on dit alors qu’elle est quasi-statique. – Les transformations irréversibles : une fois la transformation réalisée, il est impossible de revenir à l’état initial depuis l’état final de manière rapide et simple. Plusieurs notions sont nécessaires pour nous établir la définition proprement-dite de la thermodynamique. Les transformations, les systèmes établiront un lien dans ses principales techniques de base. En outre, nous allons par la suite voir le noyau de la base de la thermodynamique.
Bases des principaux de la thermodynamique
Comme la mise en jeu de la température et de la chaleur, l’étude de la thermodynamique se repose sur deux principes fondamentaux.
Premier principe
Dans le 1er principe de la thermodynamique, on retrouve la loi de la mécanique : la conservation de l’énergie dans la transformation fermée. Il est formulé que : « Lors d’une transformation dans un système fermé, la variation d’énergie interne du système est égale à la quantité d’énergie échangée avec le milieu extérieur sous forme de chaleur et de travail » Elle dépend primordialement de la position du système dans l’espace : Pour un cycle, les travaux de l’extérieur et les chaleurs évacuées sont dans un rapport constant : W + J. Q = 0 . Pourtant, lors d’une évolution de l’état initial (x1 , y1 ) à l’état final(x2 , y2 ), il y a transformation. La valeur de cette grandeur reste invariante alors : W + J.Q = ΔU. U est son énergie interne. C’est pourquoi pour la transformation fermée, 𝑈2 = 𝑈1 Et au repos, la relation est : W + J.Q = U . Ensuite, si elle est isobare c’est-à-dire dP = 0, le travail donnera la forme W = − PdV , d’où l’on introduit une grandeur de chaleur totale H, l’enthalpie du système. 4 Elle est définie par la relation : H = U + PV. En conséquence, W + J. Q = ΔU = -PdV + J.Q qui devient : J.Q = dH Donc, ce premier principe dit que la chaleur reçue par le système est égale à la variation de son enthalpie. Remarque : Lors d’un transfert d’énergie, la chaleur reçue et emmagasinée ou reconvertie en force s’exprime aujourd’hui en Joules, d’où 1cal = 4,185 J Dans le cas d’un cycle : dW + dQ = 0 : la transformation est fermée Dans le cas d’un système en mouvement : dW + dQ = dU : la transformation est ouverte
Deuxième principe
Pour le premier principe, la conservation de l’énergie est indépendante de la nature de la transformation mise en jeu. Donc, elle ne prend pas en compte les sources de chaleur. En réalité, il existe deux sources de chaleur à des températures différentes : la source chaude qui fournit la quantité de chaleur q2 et la source froide qui reçoit la quantité de chaleur Q1. En effet, on a W + J. (Q1 − q2) = 0. Et pour le second principe de la thermodynamique (principe de Carnot), on annonce que : «Le rapport de la quantité de chaleur échangée par la source chaude avec la quantité de chaleur par la source froide est constante » 𝑄2 𝑄1 = ⋯ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 𝑇2 𝑇1 Dans un cycle, les processus ramènent un système à son état initial après un certain nombre de transformations de réversibilité. La constante deviendra égale à zéro. Selon Rudolf Clausius: « Toute transformation thermodynamique génère de l’entropie» Pour cela, ce principe fait intervenir une grandeur d’état, l’entropie S En cas de l’état initial à l’état final, on a ∫ 𝑑𝑄 𝑇 = 𝑆2 − 𝑆1, la variation d’entropie Avec dQ étant la quantité de chaleur fournie par le système lors d’une transformation et T est sa température thermodynamique. 5 Le second principe s’écrit ainsi par le différentiel : ∫ 𝑑𝑄 𝑇 = 𝑑𝑆 Mais si la transformation est irréversible, il y aura en plus une création d’entropie : ∆𝑆 = 𝑄𝑖𝑟𝑒 𝑇 + 𝑆𝑛𝑒𝑤 .On peut en déduire l’inégalité de Clausius : ∆𝑆 > 𝑄𝑖𝑟𝑒 𝑇 Remarque : Par Carnot, la chaleur n’est pas transmise d’un corps froid à un corps plus chaud. Cependant, la transformation est monotherme dans le système fermé. Elle n’effectuera que la production de chaleur en recevant du travail où 𝑊 + 𝑄 = 0. Donc, si : 𝑊 = 𝑄 = 0, c’est une transformation quasi-statique ou réversible ; 𝑊 > 0 𝑒𝑡 𝑄 < 0 , le cycle est récepteur et c’est une transformation irréversible. Avec W et Q qui sont respectivement les travaux et les quantités de chaleur échangées. De plus, Carnot décrit par ce principe qu’il existe un meilleur rendement donnant le coefficient de performance.
Relation entre ces 2 principes
On constate que le 1er principe donne une définition précise de la chaleur et des énergies provoquées. Et du 2 nd principe, l’évolution des systèmes en introduit l’expression de l’entropie. La conjonction de ces deux principes permet de définir de façon très rigoureuse des conditions d’équilibre d’un système, l’uniformité de la température, l’uniformité de la pression c’est à dire l’état vers lequel il évoluera en fonction des conditions extérieures qui lui sont imposées. Une transformation s’impose entre chaleur et travail. Plusieurs études leurs seront attribuées. Entre les deux sources chaude et froide, il est nécessaire de s’intéresser sur un fait observable : le transfert thermique. D’où le point culminant du paragraphe suivant.
Transfert thermique
Lorsqu’il y a une différence de température entre deux corps ou deux milieux distincts, un transfert thermique intervient en décrivant un échange de chaleur, d’où échange d’énergie. Il y a également une conséquence directe du 2ème principe de la thermodynamique. Avec une variation de l’entropie : 𝑑𝑆 > 0 (voir à l’annexe n°1 cette conséquence directe) 6 Cette chaleur est propagée à travers des parois (murs, fluides, gaz …) par les trois (03) principaux modes d’échange thermique : La conduction La convection Le rayonnement Tout d’abord, nous allons voir la conduction thermique.
La conduction
La conduction est un transfert thermique passant entre des parties d’un corps (ou à des milieux opaques) ou entre deux corps à contact direct. Cette transmission est provoquée lors d’une détection de température différente à travers des conducteurs qui sont des substances solides ou liquides ou gazeuses. De plus, le second principe de la thermodynamique spécifie le transfert de chaleur d’un corps chaud vers un corps froid, ou de façon équivalente d’une température élevée vers une température plus basse. Lors de la conduction thermique, des phénomènes se produisent : • Les électrons libres dans le corps se déplacent • Les atomes et les molécules se vibrent (agitation moléculaire).
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