Ce deuxième module introduit des notions de thermodynamique essentielles pour pouvoir modéliser les systèmes énergétiques.

Il montre en particulier comment le premier principe de la thermodynamique permet de calculer simplement les énergies mises en jeu dans les composants étudiés dans le module précédent.

Après avoir commencé dans le premier thème par effectuer une première approche des performances des compresseurs et des turbines utilisées dans une turbine à gaz, nous présentons dans le second les notions de système thermodynamique et d'état.

Les échanges d'énergie entre un système thermodynamique et son environnement sont ensuite étudiés dans le troisième thème, ce qui permet d'énoncer le premier principe de la thermodynamique en système fermé puis en système ouvert.

Dans le quatrième thème, nous voyons comment il peut être appliqué aux quatre fonctions élémentaires identifiées dans le premier module.

Nous montrons enfin dans le cinquième thème que ces quatre grandes fonctions correspondent à trois évolutions de référence subies par les fluides qui traversent les machines, déclinant chacune un cas particulier d'application du premier principe.

Le volume horaire est d'environ 2 h 30 de travail, dont 40 mn de vidéos.

Nous commencerons par effectuer une première découverte des performances des compresseurs et des turbines utilisés dans une turbine à gaz.

Remarques

Cette relation est donnée ici à titre informatif.

Pour ce cours, vous devez simplement retenir que le travail de compression est proportionnel à la température absolue du fluide aspiré, et fonction croissante du rapport de compression.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :

• Questionnaire à choix multiple sur le travail de compression ou de détente

Nous introduisons dans ce thème les notions de système thermodynamique et d'état, fondamentales pour la suite.

Cette page du Guide d'usage pédagogique des ressources du portail Thermoptim-Unit correspond à cette présentation.

Remarques

Les notions de système et d'état sont très souvent utilisées par la suite et il est important que vous les compreniez bien.

Différence entre fonction d'état et fonction de parcours

Une analogie sur la différence entre fonction d'état et fonction de parcours peut être faite en se référant aux déplacements en montagne.

Pour une différence d'altitude donnée, la variation d'énergie potentielle d'un mobile effectuant le parcours est toujours la même car c'est une fonction d'état, tandis que la distance parcourue varie selon le chemin suivi car c'est une fonction de parcours.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :

• Exercice de catégorisation sur les fonctions d'état et de parcours

• Texte à trous sur les systèmes ouverts et fermés

Les échanges d'énergie entre un système thermodynamique et son environnement sont étudiés dans ce thème, ce qui permet d'énoncer le premier principe de la thermodynamique en système fermé puis ouvert.

Ces deux pages du Guide d'usage pédagogique des ressources du portail Thermoptim-Unit correspondent à cette présentation :

• 4 Echanges d'énergie entre un système thermodynamique et l'environnement

• 5 Conservation de l'énergie : premier principe de la thermodynamique

Remarques

Retenez bien qu'en pratique les composants qui interviennent dans les machines thermiques n'échangent de l'énergie avec l'extérieur que sous deux formes, de la chaleur et du travail.

Vous trouverez des explications complémentaires dans les pages du portail Thermoptim-UNIT sur les échanges d'énergie et sur le premier principe de la thermodynamique.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :

• Texte à trous sur le premier principe de la thermodynamique

L'analyse physique du comportement des composants des systèmes énergétiques dépend intimement de la technologie retenue. Elle permet de mettre en évidence les évolutions de référence correspondant au fonctionnement de composants qui seraient parfaits, pour lesquels une variable ou une fonction d'état bien choisie reste constante et à laquelle on sait associer une équation simple d'évolution.

Il est ensuite possible de caractériser la transformation réelle en introduisant un facteur d'imperfection, souvent appelé rendement ou efficacité, qui exprime ses performances par rapport à celle de l'évolution de référence. Cette manière de faire facilite grandement la compréhension des transformations subies par les fluides et leur calcul.

Nous montrons dans ce thème que les quatre grandes fonctions élémentaires identifiées dans le module précédent correspondent à trois évolutions de référence subies par les fluides qui traversent les machines, déclinant chacune un cas particulier d'application du premier principe.

Cette page du Guide d'usage pédagogique des ressources du portail Thermoptim-Unit correspond à cette présentation.

Remarques

Retenez bien que, pour les composants qui entrent en jeu dans les machines simples, le premier principe se simplifie, l'enthalpie mise en jeu étant égale soit à la chaleur échangée avec l'extérieur, soit au travail reçu ou fourni.

Si vous souhaitez approfondir l'établissement des bilans enthalpiques, vous pouvez consulter cette page du portail Thermoptim-UNIT.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :

• Questionnaire à choix unique sur les machines adiabatiques

L'écriture du premier principe se simplifie pour les différentes évolutions de référence mises en évidence précédemment, comme le montre cette vidéo.

Cette page du Guide d'usage pédagogique des ressources du portail Thermoptim-Unit correspond à cette présentation.

Remarques

La notion d'évolution de référence est très souvent utilisée par la suite, notamment pour le tracé des cycles sur diagramme et pour le calcul des transformations subies par les fluides, et il est important que vous la compreniez bien.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :

• Exercice de catégorisation sur les fonctionnalités et évolutions de référence

• Exercice de catégorisation sur les évolutions de référence

Grâce à ce programme, à la fin du module :

• vous saurez différencier les systèmes fermés et les systèmes ouverts

• vous serez capables de distinguer les fonctionnalités et les évolutions de référence

• vous saurez écrire le premier principe de la thermodynamique et utiliser les fonctions h, Q, tau

• vous serez capables de décrire les trois évolutions de référence mises en jeu

• et enfin vous saurez les repérer sur les schémas des systèmes énergétiques étudiés