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THERMODYNAMIQUE Thermodynamique technique

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La thermodynamique technique applique les premier et second principes aux machines thermiques. La liquéfaction des gaz, l'industrie frigorifique, le fonctionnement des pompes à chaleur, la climatisation, les moteurs à combustion, etc., sont autant de domaines concernés par ces lois, et les diagrammes et cycles qu'on peut en déduire.

Application du premier principe aux machines thermiques. Travail utile et détente de Joule-Thomson

Au point de vue de la thermodynamique, une machine thermique est un système ouvert, car elle comporte généralement une section d'entrée A et une section de sortie B pour le fluide en évolution. Le travail correspondant ΔpV = p BVB − p AVA, fourni par la machine, s'ajoute algébriquement au travail utile W u pour lequel elle a été conçue. Il en résulte que, dans un système unifié d'unités, le principe de conservation de l'énergie s'écrit pour un fonctionnement stationnaire (ou bien pour un fonctionnement périodique si les grandeurs représentent des valeurs moyennes prises sur un nombre entier de périodes) :

Ici, Q désigne la chaleur fournie par le milieu extérieur et ΔΩ est l'accroissement d'énergie potentielle entre A et B. Cette dernière est généralement négligeable dans le cas des gaz et des vapeurs. D'autre part, selon que W u est positif ou négatif, la machine thermique est dite motrice ou opératrice. Pour une tuyère de détente, la vitesse rapidement croissante du fluide permet de considérer l'évolution comme pratiquement adiabatique (dQ = 0). On a de plus W u  = 0 si la tuyère est fixe, et la relation (23) se simplifie sous la forme :

d'après laquelle les accroissements d'énergie cinétique proviennent des chutes d'enthalpie du fluide. Plus particulièrement, la notion d'enthalpie d'arrêt, résultant d'un jet arrêté par un obstacle immobile (ou, vice versa, pour la pénétration dans l'atmosphère terrestre), dérive de la même loi, sous la forme :
ρ étant la densité de l'air et w sa vitesse. Un autre exemple est celui du robinet détendeur d'un fluide en mouvement lent tant à l'amont qu'à l'aval de l'étranglement. On a, cette fois, Q = W u  = ΔΩ = ΔEcin = 0, d'où, d'après (23), ΔH = 0. Il s'ensuit que l'état initial et l'état final sont situés sur une isenthalpique : dH = 0 ou H = C te . Les propriétés de l'isenthalpique sont connues par l'étude de l'effet Joule-Thomson (effet J.-T.) où le détendeur est remplacé par un bourrage amortissant la vitesse à tout instant. On obtient l'égalité :
d'où il résulte que la détente est accompagnée d'un refroidissement (effet J.-T. > 0), ou d'un échauffement (effet J.-T. < 0), selon que le coefficient de dilatation du fluide :
est plus grand ou plus petit que celui du gaz parfait α gp  = T-1. Le cas limite d'égalité correspond à l'inversion de l'effet J.-T. Dans les conditions de l'atmosphère ambiante, l'oxygène et l'azote de l'air subissent un refroidissement par détente, et cet effet a été exploité par Carl von Linde (1842-1934) pour réaliser, en 1895, la liquéfaction de l'air. En revanche, placés dans les mêmes conditions, l'hydrogène et l'hélium subissent un échauffement par ce type de détente appelée souvent détente sans travail extérieur. Le procédé de liquéfaction par détente avec production de travail extérieur a été utilisé avec succès quelques années plus tard par Georges Claude (1870-1960). Depuis lors, tous les gaz, réputés jadis permanents, ont été liquéfiés. Le dernier d'entre eux, l'hélium, a été liquéfié, en 1908, à Leyde, par H. Kamerlingh Onnes (1853-1926), qui devait aussi découvrir, en 1911,[...]

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Écrit par

  • Paul GLANSDORFF : professeur émérite de la faculté des sciences à l'université de Bruxelles, président d'honneur de l'Institut international du froid, membre de l'Académie royale

Classification

Pour citer cet article

Paul GLANSDORFF, « THERMODYNAMIQUE - Thermodynamique technique », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL :

Médias

Carnot : cycle réversible

Carnot : cycle réversible

Encyclopædia Universalis France

Carnot : cycle réversible

Représentation du cycle réversible de Carnot dans le diagramme (T, S).

Encyclopædia Universalis France

Cycle réversible

Cycle réversible

Encyclopædia Universalis France

Cycle réversible

Représentation d'un cycle réversible quelconque dans le diagramme (T, S).

Encyclopædia Universalis France

Cycle de Rankine-Hirne

Cycle de Rankine-Hirne

Encyclopædia Universalis France

Cycle de Rankine-Hirne

Représentation schématique du cycle de Rankine-Hirn d'une turbine à vapeur surchauffée et diagramme…

Encyclopædia Universalis France

Autres références

  • THERMODYNAMIQUE (notions de base)

    • Écrit par Bernard DIU
    • 33 190 mots

    De nos jours, on peut définir la thermodynamique comme la science des propriétés et des processus qui mettent en jeu la température et la chaleur.

    Le nom de « thermodynamique » associe les deux mots grecs thermon (chaleur) et dynamis (puissance). Le but premier de la discipline, explicitement[...]

  • BOLTZMANN LUDWIG (1844-1906)

    • Écrit par Pierre COSTABEL
    • 8 983 mots
    • 1 média
    À partir de ce deuxième principe, Loschmidt a présenté à Boltzmann une objection redoutable, souvent reprise depuis lors, et qui consiste à affirmer l'impossibilité de faire sortir des équations réversibles de la mécanique une interprétation des processus irréversibles de la thermodynamique. Boltzmann[...]

  • CARNOT SADI (1796-1832)

    • Écrit par Robert FOX
    • 4 618 mots

    Fils aîné de Lazare Carnot, « l'Organisateur de la Victoire », Nicolas Léonard Sadi Carnot est un des pionniers de la thermodynamique. Son unique publication, les Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, ignorée de son [...]

  • CHALEUR

    • Écrit par Paul GLANSDORFF
    • 5 410 mots

    La première tentative d'interprétation physique assimilait la chaleur à un fluide dit subtil et indestructible dénommé le calorique, répandu partout au sein de la matière. Son passage d'un corps à un autre était notamment responsable du refroidissement du premier et de l'échauffement du second.[...]

  • CLAUSIUS RUDOLF (1822-1888)

    • Écrit par Robert FOX
    • 5 500 mots

    Rudolf Julius Emanuel Clausius, l'un des plus grands physiciens du xix e siècle, est connu principalement pour sa contribution à l'étude de la thermodynamique. Le premier, ce savant allemand formula ce qu'on a coutume d'appeler le deuxième principe et proposa une définition claire[...]

  • DÉTERMINISME

    • Écrit par Étienne BALIBAR, Pierre MACHEREY
    • 53 415 mots
    Dans ce contexte, le développement d'une thermodynamique (Carnot, Mayer, Clausius), plus tard fondée à son tour sur une mécanique statistique (Gibbs, Maxwell, Boltzmann), ne pouvait que produire un effet très ambivalent. À court terme, le deuxième principe de la thermodynamique (ou loi de dégradation[...]
  • Afficher les 39 références

Voir aussi

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