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Licence Sciences, Technologies, Santé
MENTION MÉCANIQUE

3A001 - Thermodynamique et thermique

Descriptif de l'Unité

Volumes horaires globaux : CM : 26h, TD : 26h et TP : 6h

Nombre de crédits : 6 ECTS

Parcours et Période : Majeure Mécanique : S6

Descriptif de l'Unité

Volumes horaires globaux : CM : 26h, TD : 26h et TP : 6h.

Nombre de crédits : 6 ECTS

Parcours et Période : Majeure Mécanique : S6

Objectifs de l'Unité d'Enseignement

Le premier volet de cette UE vise à consolider les connaissances de thermodynamique acquises en L2. A ces fins, le concept d’énergie et des propriétés internes des fluides (passage micro, macro, changement de phase...) sera développé. Les méthodes d’analyse, de comportement et d’évolution de systèmes en équilibres et réels seront développées. Le premier principe et le deuxième principe de la thermodynamique seront généralisés à un système quelconque (gaz, solution, solide, milieu paramagnétique) et à des systèmes ouverts et aux mélanges à espèces multiples. Diagrammes (p,v), (p,T), (h,s), (T,s), etc. Le second objectif du cours est de montrer le passage de concepts théoriques aux modèles utilisables par les ingénieurs en particulier via des exercices balayant une gamme d’applications la plus large possible (échangeurs, compresseurs, turbines, liquéfacteurs, moteurs à combustion interne, machines frigorifiques, turbopropulseurs et turboréacteurs, centrales thermiques, systèmes poly générés, piles à combustible, etc.). Une attention particulière est accordée aux phénomènes liés aux changement de phases de corps purs ou de mélanges, et aux mélanges réactifs rencontrés dans multiples et diverses applications relevant du domaine de la thermochimie partie intégrante de l’énergétique (combustion, propulsion, plasma, etc.).


Le deuxième volet de cette UE s’intéresse au domaine des échanges thermiques et, tout particulièrement, à l’étude de la diffusion de chaleur en régime transitoire. Ce volet, s’appuyant sur des notions de transfert thermique abordées au niveau L2, une introduction générale sur les différents modes de transferts de chaleur, les propriétés thermo-physiques mises en jeu ainsi que sur les principales lois d’échange thermique en régime stationnaire seront brièvement rappelées. En rajoutant la dimension « temps », des notions nouvelles telles que la diffusivité thermique et la constante de temps thermique, épaisseur de pénétration thermique sont introduites. L'équation de la chaleur en régime transitoire n’étant pas toujours facile à intégrer (suivant la complexité des conditions aux limites et initiales), des solutions exactes ou approchées sont obtenues en utilisant des méthodes mathématiques (théorie des solutions affines, séparation des variables, transformée de Laplace, etc.). Deux exemples de problèmes transitoires, représentant des cas simplifiés, seront abordés : le bloc isotherme (T = T(t)) et la conduction instationnaire unidirectionnelle (dans un mur semi-infini et dans un mur d’épaisseur finie). Chacun de ces problèmes sera illustré par un ou plusieurs exemples d’application (temps de réponse d’un thermocouple, estimation de l’âge de la terre à partir du modèle de Kelvin, variations de température nocturnes au niveau de la mer, échanges thermiques au travers de parois d’épaisseurs fines ou dans des ailettes, étude d’échangeurs , climatisation,
centrale thermique, thermique de l’habitat, etc.).

Contenu de l’Unité d’Enseignement

THERMODYNAMIQUE

  • 1er et 2eme principes: bilan d'énergie, d’entropie et d’exergie. Transformations thermodynamiques d'un système, transferts d’énergie (énergie, travail, chaleur, masse), irréversibilités ; phénomènes irréversibles et production d'entropie.
  • Coefficients calorimétriques
  • Généralisation des fonctions thermodynamiques. Potentiels thermodynamiques U,F,G,H et équilibre.
  • Changement de phase - caractérisation d’un mélange. Equilibre d’un corps pur sous deux phases
  • Notions de mélanges
  • Energie et conversion de l’énergie, analyse de systèmes de conversion d’énergie (ordre de grandeur des énergieset puissances déployées, souplesse d’utilisation, intermittence de l’énergie disponible, nuisances...).
  • Machine de conversion d’énergie. Etudes des principaux cycles thermodynamiques (Rankine, Hirn, Brayton, Otto, Stirling, Diesel, Atkinson, machine frigorifique et de climatisation etc.).
  • Oxydo réduction et électro-chimie, équilibre des réactions d’oxydo réduction- application aux systèmes de stockage de l’énergie (pile à combustible).
  • Notion de potentiel chimique, pression osmotique d’équilibre directe et inverse. Thermodynamique chimique, équation de Gibbs généralisée, loi de déplacement d’équilibre, température adiabatique de combustion, notions de cinétique chimique.

THERMIQUE

  • Thermique instationnaire unidirectionnelle T(x,t) : Equation de la chaleur en régime transitoire. Diffusion de la chaleur, diffusivité thermique.
  • Modèle du bloc isotherme. Nombre de Biot, nombre de Fourier. Temps caractéristique de relaxation thermique, constante de temps thermique. Analogie électrique.
  • Milieu conducteur dans un liquide avec effets convectifs à la surface.
  • Applications : Chauffage par four Micro-onde. Refroidissement de laves volcaniques par rayonnement, convection et conduction. Fil électrique rayonnant.
  • Mur semi infini. Température uniforme imposée – Flux uniforme imposé.
  • Epaisseur de pénétration thermique. Solutions affines.
  • Applications : Réchauffement de l'eau d'un lac, âge de la formation de la terre, modèle de Kelvin, refroidissement d’une galerie dans une mine de sel
  • Milieu conducteur d’épaisseur finie
  • Mur d’épaisseur finie soumis à des conditions de température ou de flux sur ses deux faces
  • Méthode de séparation de variables : T(x,t) = f(x) g(t)
  • Variation totale d’entropie - Variation externe d’entropie - Production d’entropie
  • Solutions cylindriques ou sphériques de type exponentielles décroissantes : Source linéaire d’énergie, source ponctuelle d’énergie.
  • Applications : Explosion nucléaire en sous-sol, étincelle dans l’air
  • Résolution de l’équation de la chaleur par les méthodes utilisant la transformée de Laplace et la transformée deFourier. Applications : Mur semi infini - Température de surface variant sinusoïdalement

Travaux pratiques

2 TP de thermodynamique parmi 4 :

  • TP1 : Centrale de traitement d’air
  • TP1bis : Changement de phase
  • TP2 : Compresseur
  • TP2bis : Turbine à réaction

1 TP de thermique parmi 2 :

  • TP1 : Bloc isotherme
  • TP2 : Conduction stationnaire

Pré-requis

Notions de base en thermodynamique générale, mécanique des fluides, transferts thermiques. Le cours ne revient plus sur des notions supposées connues de Licence 2.

Références bibliographiques

  • M. J. Moran, H.,N. Shapiro, “Fundamentals of Engineering Thermodynamics”, 1999, 4th edition Wiley.
  • J.P. Perez « Thermodynamique, Fondements et applications», Enseignement de la physique, 2nd édition 1997, Masson.
  • Lucien Borel, Daniel Favrat, « Thermodynamique et énergétique - Volume 1, De l'énergie à l'exergie », édition revue et augmentée Editeur : PPUR
  • Lucien Borel , Daniel Favrat , Dinh Lan Nguyen , Magdi Batato, «Thermodynamique et énergétique - Tome 2, Problèmes résolus et exercices », édition revue et augmentée, Editeur : PPUR
  • Barney L. Capehart, Wayne C. Turner, William J. Kennedy , “Guide to energy management” Fifth Edition 2006 by The Fairmont Press
  • Smith, J.M., H.C. Van Ness, and M.M. Abbott, "Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics," 7th ed., McGraw-Hill, New York (2005).
  • Chen, W.Y., "Study Guide for Chemical Engineering Thermodynamics," University of Mississippi, revised, 2006.
  • F. Meunier, « Aide mémoire, Thermodynamique de l’Ingénieur, Energétique, environnement » 2004 Dunod
  • Hubert Lumbroso , « Thermodynamique » Ediscience
  • Franck P. Incropera, David P. De. Witt « Fundamentals of Heat and Mass Transfer » Ed John Wiley & Son 1990
  • J.F. Sacadura « Initiation aux Transferts Thermiques » Ed Technique et documentation Lavoisier 1980

Compétences développées dans l’unité

Ce cours doit être utilisé comme un socle de connaissances pour l’étudiant sur l’utilisation de l’énergie et sur la fourniture de nouvelles solutions énergétiques. Nous fournirons des exemples appliqués tout au long des chapitres afin d’établir des
points de repère relatifs aux ordres de grandeurs, aux unités (puissance rendement, énergie, pression et température...).

 

La fiche UE est disponible ici.

30/11/15

Traductions :