Thermo­dynamique
de l’ingénieur

Chaleur et travail

Un manuel libre et gratuit de thermodynamique, avec cours et exercices corrigés, destiné à des étudiants en école d’ingénieurs (L2/L3, MPSI/PCSI/PTSI, MP/PSI/PC). Objectif : comprendre et quantifier les transformations de travail et de chaleur.

mis à jour le 27 août 2016
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Sommaire
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Les documents ci-dessous reprennent les chapitres et feuilles d’exercices du manuel (leur contenu est identique à celui du livre).

1 Notions fondamentales

Réviser les notions indispensables à l’étude de la thermodynamique
Notions d’énergie et premier principe ; Énergie mécanique ; Travail ; Chaleur et température.

2 Les systèmes fermés

Quantifier les transferts d’énergie dans une quantité fixe de fluide
Pourquoi utiliser un système fermé ? Conventions de comptabilité ; Premier principe en système fermé ; Quantifications du travail et de la chaleur ; Notion d’irréversibilité.

3 Les systèmes ouverts

Quantifier les transferts d’énergie dans un fluide en flux continu
Pourquoi utiliser un système ouvert ? Conventions de comptabilité ; Premier principe en système ouvert ; Quantifications du travail et de la chaleur.

4 Le gaz parfait

Prédire la température de l’air et quantifier ses formes d’énergie
Définition (équation d’état), intérêt et limites du modèle du gaz parfait ; Propriétés ; Énergie et température (loi de Joule) ; Transformations élémentaires sous contrainte : de pression, de volume, de température, adiabatiques réversibles, arbitraires.

5 Liquides et vapeurs

Prédire la température de l’eau et quantifier ses formes d’énergie
Liquides et vapeurs : changements de phase, points de saturation, utilisation des tables (abaques) de vapeur ; Évolutions sous contrainte : de volume, de pression, de température, adiabatiques réversibles. Annexe : abaques de propriétés de vapeur d’eau.

6 Cycles thermodynamiques

Convertir chaleur en travail et inversement : les moteurs et réfrigérateurs
Notion de cycle ; Machines thermiques (cycles moteur et de réfrigération) ; Rendement des moteurs, réfrigérateurs, climatiseurs et pompes à chaleur.

7 Le second principe

Quantifier les limites fondamentales des machines thermiques
La seconde loi de la thermodynamique ; Applications aux machines thermiques ; Le cycle de Carnot ; Échelle de température thermodynamique ; Efficacité maximale des moteurs, réfrigérateurs, climatiseurs et thermopompes.

8 L’entropie

Quantifier l’irréversibilité et prédire le sens des transformations
Le concept de l’entropie ; Définition et remarques importantes ; Quantification des variations d’entropie pour un gaz parfait et pour un liquide/vapeur ; Prédire le sens des transformations : irréversibilités dans les transferts de chaleur et de travail, expression mathématique du second principe ; Utilité de l’entropie pour l’ingénieur ; Contexte historique et ouverture vers la thermodynamique statistique.

9 Cycles moteurs à vapeur

Quantifier les performances des centrales fonctionnant à la vapeur
Intérêt de l’utilisation de la vapeur ; Critères de performance des moteurs à vapeur (rendement, coûts, consommation spécifique) ; Composants des installations ; Cycles moteurs à vapeur : de Carnot, de Rankine, avec surchauffe, resurchauffe, et régénération.

10 Cycles moteurs à gaz

Quantifier les performances des moteurs essence, Diesel, et des turbomachines
Moteurs à gaz : intérêt, caractéristiques ; Motorisations à pistons : cycles d’Otto (essence) et de Diesel ; Composants des turbomachines ; Configurations de turbomachines : turboréacteur, turbopropulseur, turbofan, turbines libre et multiples ; Modifications des cycles : refroidissement intermédiaire, réchauffe, postcombustion, refroidissement de la turbine.