L L ’É ’É NERGIE, SES FORMES, SA NERGIE, SES FORMES, SA
CONVERSION ET SA TRANSMISSION CONVERSION ET SA TRANSMISSION
(Chapitre 2) (Chapitre 2)
(Quiz no. 2 et quiz no. 3) (Quiz no. 2 et quiz no. 3)
(Thermodynamique, une approche pragmatique(Thermodynamique, une approche pragmatique, Y. , Y. ÇÇengelengel, M.A. , M.A.
Boles
Boles, M. Lacroix, , M. Lacroix, CheneliChenelièèrere--McGrawMcGraw--Hill, 2008)Hill, 2008) (lecture obligatoire pour Quiz no. 2: pages 39
(lecture obligatoire pour Quiz no. 2: pages 39 àà 65)65) (lecture obligatoire pour Quiz no. 3: pages 65
(lecture obligatoire pour Quiz no. 3: pages 65 àà 83) 83)
Marcel Lacroix Marcel Lacroix Universit
Universit é é de Sherbrooke de Sherbrooke
Mots cl
Mots cl é é s s
• Formes d’énergie
• Chaleur
• Travail
• 1ère loi: bilan d’énergie
• Rendement des conversions d’énergie
M. Lacroix Travail et chaleur 3
OBJECTIFS OBJECTIFS
• Définir le concept d’énergie et ses diverses formes.
• Expliquer ce qu’est l’énergie interne.
• Définir la notion de chaleur et présenter ses principaux phénomènes de transmission.
• Définir le travail et ses différentes formes.
• Présenter la 1ère loi de la thermodynamique.
• Définir la notion de rendement.
La pi
La pi è è ce se refroidit ou se r ce se refroidit ou se r é é chauffe? chauffe?
La pi
La pi è è ce se refroidit ou se r ce se refroidit ou se r é é chauffe? chauffe?
M. Lacroix Travail et chaleur 6
Les formes d
Les formes d ’é ’é nergie nergie
• Énergie totale: énergie mécanique, cinétique, potentielle, calorifique, électrique, magnétique, chimique et nucléaire.
• Énergie macroscopique: ensemble d’un système (énergie cinétique, énergie
potentielle).
• Énergie microscopique: activité
moléculaire = énergie interne = sensible + latente + chimique + nucléaire
Formes d’énergie microscopique qui constituent l’énergie interne sensible
L’énergie interne d’un système est la somme de toutes ces formes
d’énergie microscopique.
M. Lacroix Travail et chaleur 10
L L ’é ’é nergie m nergie m é é canique canique
• Forme d’énergie qui peut être convertie complètement et directement en travail
mécanique à l’aide d’une machine comme une turbine parfaite.
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ + +
= •
•
V gz m P
Eméc
2
2
ρ
Énergie d’écoulement Énergie cinétique Énergie potentielle Puissance mécanique
Débit massique
M. Lacroix Travail et chaleur 11
D D é é bit massique bit massique
ρ ν
→ →
• = = AV V
A m
kg/s kg/m3 m2 m/s
M. Lacroix Travail et chaleur 12
CHALEUR CHALEUR
• C’est de l’énergie cinétique désordonnée.
• Elle est transmise à travers les limites d’un système à température T1 vers un autre
système à température T2 où T1>T2.
• La chaleur dépend du chemin parcouru.
• C’est une fonction de ligne (Joules).
M. Lacroix Travail et chaleur 17
CHALEUR CHALEUR
• Ajoutée à un système: positif (exemple:
chaudière).
• Dissipée par un système: négatif (exemple:
condenseur).
• La chaleur est transmise de trois façons:
par conduction et/ou par convection et/ou par rayonnement.
M. Lacroix Travail et chaleur 18
CONDUCTION CONDUCTION
• Phénomène de transmission de chaleur par vibration atomique et/ou déplacement
d’électrons.
• Phénomène pouvant se manifester dans les solides, les liquides et les gaz.
M. Lacroix Travail et chaleur 19
CONDUCTION: LOI DE FOURIER CONDUCTION: LOI DE FOURIER
: PUISSANCE TRANSFÉRÉE (W): : TEMPÉRATURE (K)
: COORDONNÉE (m)
: SURFACE TRAVERSÉE (m2)
: CONDUCTIVITÉ THERMIQUE (W/mK)
T x A k
qx
L
T T
kA dx
kA dT
q
x(
1−
2)
=
−
=
M. Lacroix Travail et chaleur 20
CONDUCTIVIT
CONDUCTIVIT É É THERMIQUE THERMIQUE k
SUBSTANCE k (W/mK)
Cuivre 401
Aluminium 237
Contre plaqué 0.12
Brique 0.72
Polystyrène 0.04
Coton 0.06
Pyrex 1.4
Air 0.025
Glace 1.9
Neige 0.05
Muscle 0.4
Gras 0.2
M. Lacroix Travail et chaleur 21
CONVECTION CONVECTION
• Phénomène de transmission de chaleur engendré par le mouvement d’un fluide (liquide ou gaz).
• Convection forcée, naturelle ou mixte.
M. Lacroix Travail et chaleur 22
CONVECTION: LOI DE NEWTON CONVECTION: LOI DE NEWTON
:PUISSANCE TRANSFÉRÉE (W) :FLUX DE CHALEUR W/m2 :SURFACE TRAVERSÉE (m2)
:TEMPÉRATURE DE LA SURFACE (K)
:TEMPÉRATURE MOYENNE DU FLUIDE (K)
:COEFFICIENT MOYEN DE TRANSFERT (W/m2K)
)
( −
∞= h A T T q
c SA
Ts
h
T∞
qc
)
''
(
−
∞= h T T q
c SA qc /
=
''
qc
OU
M. Lacroix Travail et chaleur 23
CONVECTION: COEFFICIENT CONVECTION: COEFFICIENT
:
Paramètre calculé dépendant du type de fluide et de l’écoulement.h
h
Ordre de
grandeur du coefficient de convection h
Convection Fluide h (W/m2K)
naturelle air 5-25
naturelle eau 20-100
forcée air 10-200
forcée eau 50-10000
ébullition eau 3000-100000 condensation eau 5000-100000
M. Lacroix Travail et chaleur 24
RAYONNEMENT RAYONNEMENT
• Phénomène de transmission de chaleur par ondes électromagnétiques.
• Phénomène pouvant se manifester dans les solides transparents aux ondes électromagnétiques, les
liquides, les gaz et même dans le vide.
M. Lacroix Travail et chaleur 25
RAYONNEMENT:
RAYONNEMENT:
LOI DE STEFAN
LOI DE STEFAN - - BOLTZMANN BOLTZMANN
: PUISSANCE TRANFÉRÉE (W) :SURFACE TRAVERSÉE (m2)
:TEMPÉRATURE DE LA SURFACE (K) :TEMPÉRATURE DES SURFACES
ENVIRONNANTES (K)
:EMISSIVITÉ DE LA SURFACE )
( s4 sur4
r A T T
q = σε −
A
Ts
Tsur
ε
4 2
8 /
10 67
.
5 ⋅ − W m K
σ = CONSTANTE STEFAN-
BOLTZMANN
M. Lacroix Travail et chaleur 26
RAYONNEMENT:
RAYONNEMENT: É É MISSIVIT MISSIVIT É É
Substance Émissivité à 300K Aluminium poli 0.03
Aluminium anodisé 0.84
Béton 0.88
Brique 0.93
Asphalte 0.90
Peinture noire 0.98 Peinture blanche 0.93
Neige 0.82
ε
M. Lacroix Travail et chaleur 27
TRAVAIL TRAVAIL
• Travail: produit d’une force , agissant sur un corps, par le déplacement de ce corps dans la direction de la force:
• Travail dépend de l’évolution suivie (fonction de ligne) et des états extrêmes r1 et r2 .
• Travail fait par une machine est positif (turbine).
• Le travail fait sur une machine est négatif ( pompe).
∫ ⋅
=
21
r
r
r d F
W
F
r d
(Joule)
M. Lacroix Travail et chaleur 28
PUISSANCE PUISSANCE
• Puissance mécanique:
• Travail débité du temps t1 au temps t2 :
• Puissance déployée pour vaincre la résistance:
→
→
•
= F ⋅ V W
∫
∫
⋅ = ⋅ ⋅= • 2 → →
1 2
1
t
t t
t
dt V
F dt
W W
→ →
→ →
→
• = ⋅ = 2 ⋅ =
12 2 )
( 1 C A V V C A V
V F
W D ρ D ρ
Pour doubler la vitesse, la puissance est multipliée par huit!
(Watt)
3
PUISSANCE TRANSMISE PUISSANCE TRANSMISE
PAR UN ARBRE
PAR UN ARBRE
M. Lacroix Travail et chaleur 30
PUISSANCE TRANSMISE PUISSANCE TRANSMISE
PAR UN ARBRE PAR UN ARBRE
• La puissance transmise par l’arbre d’un moteur:
( )
ω τ ωτ ⋅ = ⋅
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛
⋅
= → →
•
R R V
F W
COUPLE (Nm)
ROTATION (rad/s) PUISSANCE
(WATT)
TRAVAIL D
TRAVAIL D ’ ’ UN RESSORT UN RESSORT
M. Lacroix Travail et chaleur 32
TRAVAIL D
TRAVAIL D ’ ’ UN RESSORT UN RESSORT
• Force de rappel exercée lors de la compression ou l’élongation d’un ressort:
• Travail fait lors de la compression ou de l’élongation du ressort:
kx F =
) 2 (
1
21 2
2 2
1 2
1
x x
k xdx
k Fdx
W = ∫ = ∫ = −
PUISSANCE
PUISSANCE É É LECTRIQUE LECTRIQUE
M. Lacroix Travail et chaleur 34
PUISSANCE
PUISSANCE É É LECTRIQUE LECTRIQUE
• La puissance électrique dégagée sous forme de chaleur par un élément électrique:
I
2R I
V
W
• e= ⋅ = ⋅
TENSION (VOLT)
COURANT (AMPÈRE) PUISSANCE
(WATT)
RÉSISTANCE (OHM)
M. Lacroix Travail et chaleur 35
TRAVAIL ET CHALEUR:
TRAVAIL ET CHALEUR:
ANALOGIES ANALOGIES
• Phénomènes de transition.
• Un système ne contient jamais de chaleur ni de travail.
• Le travail ou la chaleur ou les deux
traversent les limites du système lorsque celui-ci subit un changement d’état.
M. Lacroix Travail et chaleur 36
TRAVAIL ET CHALEUR:
TRAVAIL ET CHALEUR:
ANALOGIES ANALOGIES
• Phénomènes de frontière.
• Le travail et la chaleur ne peuvent être observés qu’aux limites d’un système et chacun.
• Ils représentent un transfert d’énergie à travers les limites du système.
• Ils sont des fonctions du chemin parcouru.
M. Lacroix Travail et chaleur 37
La premi
La premi è è re loi de la re loi de la thermodynamique:
thermodynamique:
principe de conservation principe de conservation
d d ’é ’é nergie nergie
La premi
La premièère loi de la thermodynamiquere loi de la thermodynamique
L’énergie n’est ni
produite, ni détruite. Elle est transformée d’une
forme à une autre.
La premi
La premièère loi de la thermodynamiquere loi de la thermodynamique
La premi
La premièère loi de la thermodynamiquere loi de la thermodynamique
La premi
La premièère loi de la thermodynamiquere loi de la thermodynamique
La premi
La premièère loi de la thermodynamiquere loi de la thermodynamique
La premi
La premièère loi de la thermodynamiquere loi de la thermodynamique
La premi
La premièère loi de la thermodynamiquere loi de la thermodynamique
M. Lacroix Travail et chaleur 45
La premi
La premièère loi de la thermodynamique:re loi de la thermodynamique:
Le bilan d
Le bilan d’é’énergienergie
out in
système
E E
E = −
Δ
(Énergie totale entrante) – (Énergie totale sortante) (Variation de l’énergie totale du système) =
soit
M. Lacroix Travail et chaleur 46
La variation de l
La variation de l’é’énergie totale du systnergie totale du systèèmeme
1
2
E
E E
E
E
système=
final−
initial= − Δ
PE KE
U
E = Δ + Δ + Δ Δ
);
(
);
2 ( 1
);
(
1 2
2 1 2
2 1 2
z z
mg PE
V V
m KE
u u
m U
−
= Δ
−
= Δ
−
= Δ
soit où
M. Lacroix Travail et chaleur 47
LL’é’énergie entrante et sortante etnergie entrante et sortante et
Ein
système out
masse in
masse out
in out
in out
in E Q Q W W E E E
E − = ( − ) + ( − ) + ( , − , ) = Δ
Eout
Ein
1. La transmission de chaleur Q 2. Le transfert de travail W
3. L’écoulement Emasse
M. Lacroix Travail et chaleur 48
La premi
La premièère loi de la thermodynamique:re loi de la thermodynamique:
En termes d
En termes d’é’énergiesnergies
système out
in
E E
E − = Δ
Énergie transférée par la chaleur, le travail et les écoulements
Variation des énergies interne, cinétique et potentielle du système
M. Lacroix Travail et chaleur 49
dt E dE
E
• in−
• out=
systèmePuissance transférée par la chaleur, le travail et les écoulements
Accumulation des énergies interne,
cinétique et potentielle dans le système
La premi
La premièère loi de la thermodynamique:re loi de la thermodynamique:
En termes de puissances En termes de puissances
M. Lacroix Travail et chaleur 50
Convention historique Convention historique
• La chaleur ajoutée à un système et le travail produit par un système sont des quantités positives.
• La chaleur dégagée par à un système et le travail fait sur un système sont des
quantités négatives.
Rendement = (r
Rendement = (réésultat escomptsultat escomptéé)/(investissement))/(investissement)
) _
_ (
) _
_ (
consommée électrique
puissance
produite mécanique
puissance
moteur = η
Rendement total = produit des rendements individuels Rendement total = produit des rendements individuels
M. Lacroix Travail et chaleur 53
EXERCICES SUGG
EXERCICES SUGGÉÉRRÉÉSS
Chapitre 2, THERMODYNAMIQUE, une approche pragmatique, Y.A. Çengel, M.A. Boles et M. Lacroix, Chenelière-McGraw-Hill, 2008.
Les exercices dont le numéro est suivi de la lettre ‘C’ et les exercices suivants: 2.10, 2.13, 2.16, 2.28, 2.34, 2.41,
2.42, 2.45, 2.47, 2.82, 2.100
