Fiche de révision : Thermodynamique des systèmes ouverts

📋 Plan du Cours

1. Écoulement stationnaire et conventions
2. Premier principe et bilan de masse
3. Travail et transferts énergétiques
4. Bilan énergétique du système ouvert
5. Entropie et second principe
6. Diagrammes thermodynamiques
7. Cycle frigorifique à quatre transformations

📖 1. Écoulement stationnaire et conventions

🔑 Notions clés & Définitions

• Système ouvert : Outil permettant de comptabiliser les échanges énergétiques d’un fluide qui entre et sort continûment d’un élément.

★ À maîtriser

📌 Le travail est reçu par le fluide dans un compresseur et fourni par le fluide dans une turbine.

📌 Le fluide reçoit un transfert thermique dans une chaudière ou un échangeur chauffant, et en fournit dans un condenseur.

Compléments

• En régime stationnaire, l’entrée et la sortie peuvent avoir des sections différentes, et l’élément peut échanger du travail et de la chaleur avec l’extérieur.

💡 Astuce mémo

Le compresseur reçoit du travail, la turbine en fournit ; la chaudière reçoit de la chaleur, le condenseur en fournit.

📖 2. Premier principe et bilan de masse

🔑 Notions clés & Définitions

• Grandeurs massiques : Grandeurs extensives rapportées à l’unité de masse et notées par des lettres minuscules, notamment l’énergie interne, l’enthalpie, les énergies cinétique et potentielle, le volume et l’entropie massiques.

★ À maîtriser

• Le premier principe appliqué à un système fermé exprime la conservation de l’énergie en reliant ses variations d’énergie cinétique, potentielle et interne aux échanges de travail et de chaleur.

• En régime stationnaire, les débits massiques à l’entrée et à la sortie sont égaux.

Compléments

• Pour établir le bilan d’un système ouvert, on suit un système fermé constitué de la matière présente dans l’élément à l’instant initial et que l’on suit jusqu’à l’instant final, même si une partie a quitté l’élément.

📖 3. Travail et transferts énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Transfert thermique massique : Énergie échangée par transfert de chaleur avec l’extérieur lorsque l’unité de masse traverse l’élément.

★ À maîtriser

📌 Le travail échangé se décompose en travail des forces de pression lié au transfert du fluide et en travail utile dû aux autres forces, notamment aux parties mobiles.

Compléments

• Le travail massique des forces de pression à l’entrée et à la sortie contribue à faire apparaître l’enthalpie dans le bilan énergétique.

📖 4. Bilan énergétique du système ouvert

🔑 Notions clés & Définitions

• Enthalpie massique : Grandeur apparaissant dans le bilan énergétique et correspondant à l’énergie interne augmentée du terme de travail des forces de pression par unité de masse.

★ À maîtriser

• Le premier principe pour un fluide en écoulement stationnaire relie la variation d’enthalpie et d’énergie mécanique massiques au travail utile et à la chaleur massiques échangés.

Compléments

• La variation d’enthalpie entre l’entrée et la sortie et la variation d’énergie mécanique massique s’expriment en joules par kilogramme.

📖 5. Entropie et second principe

🔑 Notions clés & Définitions

• Entropie : Fonction d’état extensive et additive dont la variation comprend une contribution due aux échanges thermiques et une entropie créée à l’intérieur du système.

★ À maîtriser

• L’entropie créée est positive ou nulle : elle est strictement positive lors d’une transformation irréversible et nulle lors d’une transformation réversible.

• En régime stationnaire, le bilan entropique du fluide en écoulement relie la variation d’entropie massique à l’entropie échangée avec l’extérieur et à l’entropie créée dans le système.

Compléments

• Lors d’une transformation réversible, la variation d’entropie est égale à la chaleur échangée divisée par la température absolue de la surface du système.

• La variation d’entropie massique du fluide entre l’entrée et la sortie s’exprime en joules par kelvin et par kilogramme.

📖 6. Diagrammes thermodynamiques

★ À maîtriser

• Les diagrammes thermodynamiques peuvent représenter :

  • des isothermes
  • des isobares
  • des isochores
  • des adiabatiques
  • des isentropiques
  • des isenthalpiques

• La lecture des diagrammes thermodynamiques permet d’estimer le travail utile d’une machine thermique, ses échanges thermiques avec l’extérieur et son coefficient de performance.

Compléments

• Comparer les diagrammes de différents fluides aide à choisir le fluide selon le travail à fournir et les critères écologiques.

📖 7. Cycle frigorifique à quatre transformations

★ À maîtriser

• Le cycle frigorifique illustré suit quatre transformations : évaporation isobare de 4 à 1, compression adiabatique ou isentropique de 1 à 2, condensation isobare de 2 à 3, puis détente isenthalpe de 3 à 4.

Compléments

📌 Dans le cycle frigorifique illustré, l’évaporateur échange de la chaleur avec la source froide, tandis que le condenseur en cède à la source chaude.

💡 Astuce mémo

Évaporation 4→1, compression 1→2, condensation 2→3, détente 3→4.