PROPRI É É T T É É S DES S DES SUBSTANCES PURES SUBSTANCES PURES

(1)

PROPRI

PROPRI É É T T É É S DES S DES SUBSTANCES PURES SUBSTANCES PURES

(Chapitre 3) (Chapitre 3) (Quiz no. 4) (Quiz no. 4)

((Thermodynamique, une approche pragmatique, Y. Thermodynamique, une approche pragmatique, Y. ÇÇengelengel, , M.A.

M.A. BolesBoles, M. Lacroix, , M. Lacroix, CheneliChenelièèrere--McGrawMcGraw--HillHill, 2008), 2008) (lecture obligatoire pour Quiz no. 4: pages 95

(lecture obligatoire pour Quiz no. 4: pages 95 àà 117) 117)

Marcel Lacroix Marcel Lacroix Universit

Universit é é de Sherbrooke de Sherbrooke

(2)

Mots cl

Mots cl é é s s

• Substance pure

• Phases: solide, liquide et gaz

• Liquide comprimé, liquide saturé, mélange saturé, vapeur saturée, vapeur surchauffée (eau, réfrigérant R-134a)

• Diagrammes de phase

• Tables de variables thermodynamiques

• Gaz parfaits

(3)

M. Lacroix Substances pures 3

OBJECTIFS OBJECTIFS

• Définir les propriétés de substances pures.

• Comprendre et utiliser les tables de

vapeur d’eau.

(4)

SUBSTANCE PURE: D

SUBSTANCE PURE: D É É FINITION FINITION

• Composition chimique stable et homogène.

• Peut exister sous différentes phases mais sa

composition chimique est la même dans chaque phase (solide,liquide,gaz).

SOLIDE LIQUIDE GAZ

(5)

VARIABLES THERMODYNAMIQUES VARIABLES THERMODYNAMIQUES

• L’état d’un système thermodynamique est décrit par ses variables thermodynamiques.

• Pour les substances compressibles comme l’eau, les réfrigérants et l’air, deux variables indépendantes sont suffisantes pour décrire l’état du système.

• Les variables sont déterminées à l’aide de:

-tables (substances compressibles) -équation d’état (gaz)

-tableau (solide).

(6)

6

CHANGEMENT DE PHASE LIQUIDE

CHANGEMENT DE PHASE LIQUIDE--GAZGAZ

LIQUIDE SOUS REFROIDI

LIQUIDE SATURÉ (x=0)

MÉLANGE

LIQUIDE/VAPEUR SATURÉ (0<x<1)

VAPEUR SATURÉE (x=1) VAPEUR

SURCHAUFFÉE

(7)

7

Diagramme

Diagramme T T - - v v

(8)

8

Diagramme

Diagramme T T - - v v

(9)

Courbe de saturation d

Courbe de saturation d ’ ’ une substance pure une substance pure

) (

_sat

sat

f T

P =

(10)

Effet de la pression atmosph

Effet de la pression atmosph é é rique rique sur les syst

sur les syst è è mes mes

(11)

11

Diagramme P

Diagramme P - - v v

Eau: liquide comprimé.

P_sat=476 kPa à 150⁰C

(12)

12

Diagramme P

Diagramme P - - v v (avec phase solide): (avec phase solide):

contraction lors de la solidification

(13)

13

Diagramme P

Diagramme P - - v v (avec phase solide): (avec phase solide):

dilatation lors de la solidification (eau)

(14)

14

Diagramme P

Diagramme P - - T T

(15)

15

(16)

VARIABLES THERMODYNAMIQUES VARIABLES THERMODYNAMIQUES

D D ’ ’ UNE SUBSTANCE PURE UNE SUBSTANCE PURE 1. Volume massique: (m

³

/kg)

2. Énergie interne: (kJ/kg)

3. Enthalpie: (kJ/kg) 4. Entropie: (kJ/kg K)

ν

u

ν

p u

h = +

s

(17)

É É NERGIE INTERNE (kJ/kg) NERGIE INTERNE (kJ/kg)

Énergie interne = somme de toutes les formes d’énergie à l’échelle microscopique:

1. Énergie sensible: vibration, rotation et translation moléculaire.

2. Énergie latente: changement de phase de la substance.

3. Énergie chimique: liaisons entre les atomes différents.

4. Énergie nucléaire : liaisons entre les nucléons.

u

(18)

ENTHALPIE (kJ/kg) ENTHALPIE (kJ/kg)

• L’enthalpie est définie comme:

• Variable rencontrée fréquemment dans les systèmes mettant en jeu des écoulements.

h

pv u

h = +

(kPa) (m³/kg) (kJ/kg)

(19)

ENTROPIE (kJ/

ENTROPIE (kJ/ kgK kgK ) )

• Entropie: mesure du désordre d’un système à l’échelle microscopique.

• Variable qui découle naturellement de la 2^ème loi de la thermodynamique.

• Variable fort utile dans le calcul des évolutions de diverses machines thermiques (moteurs,

turbines, pompes, compresseurs, etc.).

s

(20)

EXEMPLE:

TABLES THERMODYNAMIQUES TABLES THERMODYNAMIQUES

DE L DE L ’ ’ EAU EAU

(21)

É É tat d tat d ’ ’ une substance pure une substance pure à à saturation saturation (Eau: Tables A4 et A5)

(Eau: Tables A4 et A5)

• La pression et la température ne sont pas indépendantes.

• Deux variables indépendantes telles la pression et le volume massique ou la pression et le titre sont requises pour déterminer l’état de saturation

d’une substance pure.

) _

_ _

_ (

) _

_ (

liquide de

masse vapeur

de masse

vapeur de

masse

x = +

TITRE:

1 0 ≤ x ≤

(22)

Variables de l

Variables de l ’ ’ eau eau à à saturation:

saturation:

temp temp é é rature connue rature connue

Table A Table A - - 4 4

f

g

x

x φ φ

φ = ⋅ + ( 1 − ) ⋅

(23)

Vapeur d

Vapeur d ’ ’ eau eau à à saturation: temp saturation: temp é é rature A rature A - - 4 4

(24)

Vapeur d

Vapeur d ’ ’ eau eau à à saturation: pression A saturation: pression A - - 5 5

(25)

Vapeur surchauff

Vapeur surchauff é é e A e A - - 6 6

(26)

Liquide comprim

Liquide comprim é é A A - - 7 7

(27)

Liquide comprim Liquide comprim é é

• Table A-7

• Sinon

);

(

;

, ,

T sat T

f T

f T f

T f

P P

v h

h

s s

u u

v v

− +

≈

(28)

TABLES THERMODYNAMIQUES TABLES THERMODYNAMIQUES

• Tables thermodynamiques disponibles pour d’autres fluides (ex: fluide

frigorigène R134a).

• Recommandation: si des tables existent

pour un fluide, UTILISEZ LES!

(29)

INTERPOLATION LIN

INTERPOLATION LIN É É AIRE AIRE

• Quel est le volume massique de la vapeur surchauffée à 1,0 MPa et 220⁰C?

kg m

T C T

T

T (220 ) 0.21671 /

20602 .

0 23275 .

0

20602 .

0 200

250

200

220 ₀ ₃

1 2

1 1

2

1 ⇒ =

−

= −

−

⇒ −

−

= −

−

− ν ν

ν ν

Température(⁰C) Volume massique(m³/kg)

200 0,20602

250 0,23275

(30)

É É QUATION D QUATION D ’É ’É TAT GAZ PARFAIT TAT GAZ PARFAIT

• Alternative aux tables pour relier la pression, la température et le volume massique.

• Équation d’état la plus simple.

T R P ν =

(kPa)

(m³/kmole) (8,314 kJ/kmoleK) (K)

RT P ν =

(kPa)

(m³/kg) (kJ/kgK)

(K)

M R = R

Masse molaire (kg/kmole)

AIR

M=28,97 kg/kmole;

R=0,287 kJ/kgK

(31)

31

(32)

POINTS CRITIQUES POINTS CRITIQUES

SUBSTANCE TEMPÉRATURE

(K)

PRESSION (kPa)

Air

133 3 770

Dioxyde de carbone

304 7 390

R-134a

374 4 059

Eau

647 22 060

(33)

FACTEUR DE COMPRESSIBILIT FACTEUR DE COMPRESSIBILIT É É

RT Z = Pv

cr r

T T T

P P P

=

(34)

FACTEUR DE COMPRESSIBILIT

FACTEUR DE COMPRESSIBILIT É É : : CONCLUSIONS

CONCLUSIONS

• À basses pressions, , les gaz se

comportent comme des gaz parfaits peu importe la température.

• À hautes températures, , les gaz se comportent comme des gaz parfaits peu importe la pression.

• L’écart avec la loi des gaz parfait est maximal au voisinage de la pression critique.

<< 1 Pr

> 2 Tr

(35)

FACTEUR DE COMPRESSIBILIT FACTEUR DE COMPRESSIBILIT É É : :

CORRECTION

CORRECTION À À LA LOI DES GAZ LA LOI DES GAZ PARFAITS

PARFAITS

ZRT P ν =

(kPa)

(m³/kg) (kJ/kgK)

(K)

parfait corrigé

Z ν

= ν

où

(36)

Gaz parfait vs gaz r

Gaz parfait vs gaz r é é el el

(37)

PEUT PEUT - - ON CONSID ON CONSID É É RER LA VAPEUR D RER LA VAPEUR D ’ ’ EAU EAU COMME UN GAZ PARFAIT?

COMME UN GAZ PARFAIT?

• À des pressions inférieures à 10kPa, la vapeur d’eau peut être considérée comme un gaz parfait.

• Air climatisé: La vapeur d’eau peut être

considérée comme un gaz parfait. Dans ces applications, la pression de la vapeur d’eau demeure inférieure à 10 kPa.

• Cycles de vapeur: Les pressions en jeu sont

beaucoup plus élevées que 10 kPa. Dans ce cas, les Tables thermodynamiques sont utilisées.

(38)

Vapeur d’eau, un gaz parfait pour des pressions inférieures à 10 kPa.

(39)

EXERCICES SUGG

EXERCICES SUGG É É R R É É S S

Chapitre 3, 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 numéro 3.25, 3.26, 3.27, 3.28, 3.32, 3.44, 3.45, 3.55, 3.76, 3.77