Thermodynamique et énergétique
2 Problèmes résolus et exercices
Lucien Borel ¤ Daniel Favrat
Dinh Lan Nguyen ¤ Magdi Batato
Presses polytechniques et universitaires romandes
Avant-proposv
Hommage à un grand thermodynamicien, le Professeur Lucien Borel, décédé à Lausanne le 26 septembre 2007vii
Chapitre 1 Généralités et principes fondamentaux1
1.A Refroidissement d'une pièce de cuivre1
1.B Choc d'un récipient contre un mur3
1.C Transfert-travail relatif à un système fermé6
1.D Puissance-travail d'une turbine à vapeur7
1.E Frein à eau8
1.F Irréversibilité dans un compresseur réfrigéré9
1.G Irréversibilité dans un transmetteur d'énergie-chaleur11
1.H Refroidissement isobare13
1.I Oxydation du glucose14
1.J Transfert-travail et transfert-chaleur relatifs à un système fermé15
1.K Batterie d'automobile16
1.L Freinage d'une voiture17
1.M Irréversibilité lors d'un chauffage18
Chapitre 2 Systèmes fermés19
2.A Compression polytrope19
2.B Facteurs thermiques21
2.C Facteur polytrope22
2.D Chaleur spécifique isochore24
2.E Variation d'entropie d'un gaz25
2.F Variations d'enthalpie et d'entropie d'un liquide26
2.G Choc d'une sphère en chute libre28
2.H Relations fondamentales entre fonctions d'état30
2.I Compression de l'oxygène suivant différents chemins32
2.J Compression de l'air dans différentes conditions36
2.K Remplissage d'une bouteille41
2.L Détente sans dissipation42
2.M Expérience de Torricelli43
2.N Relations de Maxwell44
2.O Compression isotherme45
Chapitre 3 Bilans des grandeurs extensives47
3.A Collecteur-distributeur d'eau47
3.B Pesée d'un récipient avec écoulements48
3.C Mélange de deux jets liquides50
3.D Vidange d'un réservoir52
3.E Propulsion d'un bateau54
3.F Lancement d'une fusée56
3.G Embranchement58
3.H Force de réaction sur une conduite coudée59
3.I Poussée d'un turboréacteur60
Chapitre 4 Systèmes ouverts, en régime permanent63
4.A Cheminée d'une centrale thermique63
4.B Installation de chauffage central d'un bâtiment66
4.C Gonflage d'un pneu69
4.D Installation de suralimentation d'un moteur diesel72
4.E Compresseur radial75
4.F Diffuseur d'entrée d'un turboréacteur79
4.G Tube de Pitot81
4.H Ecoulement dans un canal de section constante83
4.I Ecoulement dans une tuyère simple85
4.J Ecoulement dans une tuyère de Laval87
4.K Turbine Curtis90
4.L Compression mono- ou multi-étagée95
4.M Détente dans une turbine98
4.N Installation de compression101
4.O Tube de Prandtl102
4.P Dimensionnement d'une tuyère de Laval103
4.Q Mesure de débit à l'aide d'un diaphragme104
Chapitre 5 Propriétés thermodynamiques de la matière107
5.A Fonction d'état d'un gaz parfait107
5.B Expérience de Gay-Lussac - Joule109
5.C Détente de Joule-Thomson111
5.D Détente irréversible d'un gaz parfait114
5.E Détentes réversibles d'un gaz parfait117
5.F Energie-travail relative à une détente isotherme121
5.G Chauffage isochore de l'eau124
5.H Equations d'état126
5.I Fusion par compression129
5.J Mesures calorimétriques131
5.K Ejecteur134
5.L Détente de Joule-Thomson de l'eau (en phase liquide)141
5.M Théorie cinétique des gaz143
5.N Atmosphère terrestre143
5.O Equilibre d'un ballon-sonde144
5.P Chauffage et vaporisation partielle isobares de l'eau146
5.Q Chauffage isochore et refroidissement isobare d'un gaz parfait147
5.R Chaleur de vaporisation148
Chapitre 6 Mélanges de gaz parfaits ou semi-parfaits149
6.A Caractéristiques d'un gaz de ville149
6.B Compression d'un mélange d'azote et d'argon150
6.C Chauffage et compression de gaz de combustion152
6.D Mélange de gaz s'écoulant dans un transmetteur d'énergie thermique155
6.E Mélange d'azote et de dioxyde de carbone, dans une enceinte fermée156
6.F Fabrication d'air synthétique159
6.G Détentes et mélanges de gaz162
6.H Changement des concentrations d'un mélange d'azote et de dioxyde de carbone166
6.I Mélange d'air et de méthane, en régime permanent168
6.J Caractéristiques d'un mélange d'oxygène et d'azote170
6.K Caractéristiques d'un gaz de haut-fourneau171
6.L Compression d'un mélange d'éthane et d'air172
6.M Changement de la composition et compression d'un mélange d'éthane et de propane173
6.N Introduction d'azote dans un réservoir d'hydrogène174
6.O Conditionnement de fumées destinées au séchage176
Chapitre 7 Mélanges d'un gaz et d'une substance condensable177
7.A Mélange de deux mélanges177
7.B Tour de refroidissement humide179
7.C Humidification de l'air d'un local182
7.D Condensation sur une paroi185
7.E Compresseur paraïsotherme187
7.F Séchage d'un produit191
7.G Climatisation d'une piscine couverte195
7.H Climatisation d'un bureau en été202
7.I Etat de l'air dans une pièce208
7.J Caractéristiques de l'air atmosphérique209
7.K Refroidissement de l'air par humidification210
7.L Chambre froide212
7.M Climatisation d'un bureau en hiver213
Chapitre 8 Transformations et diagrammes thermodynamiques215
8.A Détente adiabate d'un gaz semi-parfait215
8.B Vidange d'une bouteille d'air comprimé217
8.C Alimentation d'une turbine de lancement219
8.D Détente de la vapeur d'eau dans une turbine221
8.E Changement de phase de l'eau224
8.F Déplacement d'un piston par dilatation d'un gaz227
8.G Transformations relatives à la détente de l'hélium230
8.H Cycle théorique d'un moteur à air chaud234
8.I Cycle théorique d'un moteur Diesel238
8.J Transformations thermodynamiques typiques242
8.K Condensation d'un fluide frigorigène245
8.L Changements de phase du dioxyde de carbone246
8.M Production d'air comprimé248
8.N Transformation au cours d'un cycle249
Chapitre 9 Exemples simples d'application des Premier et Deuxième Principes251
9.A Transformation d'énergie mécanique en énergie interne (expérience de Joule)251
9.B Détente sans transfert-travail (expérience de Gay-Lussac - Joule)251
9.C Détente avec transfert-travail252
9.D Transformations d'énergie253
9.E Evolution d'un système hétérogène253
9.F Transfert-chaleur entre deux corps254
Chapitre 10 Energétique thermodynamique255
10.A Resurchauffeur d'une centrale nucléaire255
10.B Chambre froide d'une installation frigorifique257
10.C Condenseur d'une installation motrice à vapeur260
10.D Réchauffeurs à mélange et à surface264
10.E Turbine haute pression de la centrale de Leibstadt267
10.F Compresseur paraïsotherme d'une installation frigorifique268
10.G Compresseur refroidi272
10.H Installation de production d'air liquide275
10.I Prix de l'énergie relatif à une installation282
10.J Ejecteur285
10.K Détente sans transfert-travail (expérience de Gay-Lussac - Joule)287
10.L Ecoulement dans un diaphragme288
10.M Transfert-chaleur entre deux corps288
10.N Mélange isochore de deux gaz289
10.O Mélange de plusieurs gaz, en régime permanent290
10.P Chauffage isochore291
10.Q Chauffage isobare292
10.R Chauffage en régime permanent292
10.S Accumulateur d'énergie thermique294
Chapitre 11 Combustion297
11.A Combustion d'une huile légère297
11.B Combustion incomplète d'une huile lourde299
11.C Combustion de gaz naturel304
11.D Point de rosée d'un gaz de combustion310
11.E Chambre de combustion d'une centrale thermique312
11.F Chaudière à vapeur industrielle317
11.G Refroidissement et diffusion d'un panache de gaz de combustion dans l'atmosphère324
11.H Moteur à essence328
11.I Combustion incomplète330
11.J Turboréacteur d'aviation334
11.K Combustible liquide pour une chaudière338
11.L Bombe calorimétrique340
11.M Influence des conditions de référence sur le pouvoir énergétique341
11.N Caractéristiques d'un combustible liquide342
11.O Combustion de l'hexane343
11.P Chambre de combustion d'une installation à gaz344
11.Q Déperdition d'une chambre de combustion346
Chapitre 12 Exemples d'application des chapitres 10 et 11349
12.A Chambre de combustion349
12.B Chaudière à vapeur351
12.C Moteur à combustion interne354
Chapitre 13 Cycles thermodynamiques357
13.A Cycle de Beau-de-Rochas ou de Otto357
13.B Cycle de Stirling361
13.C Pseudo-cycle de Ericsson364
13.D Cycle d'un moteur à air chaud366
13.E Cycle de Diesel simple368
13.F Cycle de Brayton372
13.G Le cycle de Rankine377
13.H Cycle de turboréacteur379
13.I Cycle de Brayton inversé385
13.J Cycle de Carnot389
13.K Cycle de Diesel amélioré389
13.L Cycle de statoréacteur392
13.M Cycles de thermopompe superposés394
13.N Pseudo-cycle de Stirling inversé395
13.O Pseudo-cycle de Ericsson inversé397
13.P Etude comparative de cycles moteurs théoriques398
13.Q Etude comparative de thermopompes théoriques400
13.R Etude comparative de cycles de frigopompes théoriques403
13.S Etude de cycles théoriques de cogénération405
Chapitre 14 Exemples d'application des chapitres 10 à 13407
14.A Refroidissement atmosphérique d'un condenseur407
14.B Installation motrice de turbine à gaz en circuit ouvert, industrielle411
14.C Installation motrice à cycle combiné gaz-vapeur422
14.D Installation motrice de turbine à gaz, en circuit fermé, à deux lignes d'arbres425
14.E Installation de thermopompe à compression430
14.F Installation de frigopompe à compression436
14.G Installation de production d'hélium liquide442
14.H Installation de frigopompe à turbocompression448
14.I Installation à vapeur, simple453
14.J Installation à vapeur, à resurchauffe454
14.K Installation à vapeur, à soutirage454
14.L Installation à vapeur, en régime quasi permanent455
14.M Installation à vapeur de cogénération456
14.N Installation à gaz, en circuit ouvert457
14.O Installation de thermopompe avec compresseur semi-hermétique460
14.P Installation de frigopompe avec sous-refroidisseur462
Chapitre 15 Thermodynamique linéaire des phénomènes irréversibles467
15.A Source d'entropie dans un barreau467
15.B Thermocouple469
15.C Générateur thermoélectrique471
15.D Module Thermoélectrique477
15.E Thermopompe thermoélectrique483