La thermodynamique

La thermodynamique
Cours
ophe4

Par ophe4

Mise à jour le 24-02-2016

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Le secteur de l’aéronautique et de l’aérospatial est particulièrement sensible aux problématiques de la thermodynamique. Le milieu dans lequel évoluent les engins volants est le lieu de variations brutales de pressions, de température,… et la conception d’une aile d’avion ou d’un moteur fonctionnant à haute altitude par exemple, se doit d’être réalisé compte tenu des contraintes mécaniques et thermiques propres à ce milieu. L’objet de cette fiche sera de rappeler les éléments essentiels à retenir sur la discipline de la thermodynamique appliqué à l’aéronautique. 

 

> Retrouvez également tous les cours d'Aéronautique et Aérospatial.

 

 

Plan du document :

 

I. Les sytèmes thermodynamiques

 

II. Les variable d'état

 

III. Premier principe de la thermodynamique

 

IV. Modélisation des gaz

 

V. Transformations thermodynamiques

 

VI. Cycle thermodynamiques

 

 

 

 

 

I. Les sytèmes thermodynamiques

 

 

Comme en mécanique, la notion de système est un élément fondamental pour aborder la thermodynamique. Identifier un système c’est définir la frontière autour de celui-ci, de telle sorte que ce qui est à l’intérieur de cette frontière sera appelé « système » et que ce qu’il a à l’extérieur sera appelé « univers privé du système ».

 

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II. Les variable d'état

 

Les variables d'état sont des grandeurs physiques caractéristiques qui servent à décrire un système thermodynamique. On en distingue 2 types : les variables extensives (proportinnelles à la quantité de matière) et les variables intensives (indépendantes de la quantité de matière). 

 

 

 

On retiendra ce principe grâce à l’exemple suivant :

 

En considérant deux compartiments identiques (même Pression (P), Volume (V), Température (T), quantité de matière (n), masse (m), nombre de molécules (N), …) puis en les réunissant, on obtient les valeurs : P,2V,T,2n,2m,2N,…. Pour les grandeurs extensive, on voit que la valeur a doublé (V,n,m,N) alors que pour les grandeurs intensives, la valeur est restée la même (P, T)

 

 

Pression, température et chaleur :

La pression d'un fluide (liquide ou gaz) mesure la force par unité de surface exercée par le système sur une paroi.

La température est liée à l'énergie cinétique microscopique des particules constituant le système, on parlera « d’agitation thermique » (molécules en translation, rotation et/ou vibration autour d’une position d’équilibre)

La chaleur est un transfert d’énergie thermique (par conduction, convection et/ou rayonnement), à ne pas confondre avec la température (qui est une variable d’état).

 

 

 

III. Premier principe de la thermodynamique

 

 

Le premier principe de la thermodynamique indique que lors de toute transformation, il y a conservation de l'énergie. 


Dans le cas des systèmes thermodunamiques fermés, il s'énonce de la manière suivante : 

 

« Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé, la variation de son énergie est égale à la quantité d'énergie échangée avec le milieu extérieur, par transfert thermique (chaleur) et transfert mécanique (travail).»

 

Soit, sous les hypothèses que le système soit fermé et mécaniquement au repos : 

?U=W+Q

 

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IV. Modélisation des gaz

 

 

 GAZ PARFAIT : 

Le gaz parfait est un état idéal vers lequel tendent les gaz réels quand leur densité est très faile. Dans ce modèle, les molécules de gaz sont considérées ponctuelles (sans volume propre), de masse m, sont libres deleur déplacement et n'ont pas d'intéractions entre elles (hors choc élastique). 

Sous ces hypothèses, nous avons la relation : 

PV = nRT

Avec P : pression du gaz (en Pascal, Pa) 

V : Volume de gaz (en m3)

N : quantité de matière (en mol)

R : Constante de Gaz parfais (=8.31 J.K-1.mol-1)

 

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V. Transformations thermodynamiques

 

 La transformation thermodynamique peuvent se modifier par l'une des flèches suivantes 

> Voir schéma dans la version complète du cours 

 

On distinguera néanmoins les transformations lentes, que l'on pourra supposer réversibles, et les transformations rapides, supposées elles irréversibles. 

 

 

 

VI. Cycle thermodynamiques

 

Les cycles thermodynamiques permettent de décrire des processus thermodynamique. On les résume en général sur un diagramme de Clapeyron (pression en fonction du volume). 



Ils représentent une succession de transformation thermodynamiques tels sortes que l'état initial et l'état final soient confondus (avec des modifications de température, pression et/ou volume)

 

 

 

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