L ÉNERGIE, SES FORMES, SA CONVERSION ET SA TRANSMISSION

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Yolande Gilbert
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1 L ÉNERGIE, SES FORMES, SA CONVERSION ET SA TRANSMISSION (Chapitre 2) (Quiz no. 2 et quiz no. 3) (Thermodynamique, une approche pragmatique,, Y. Çengel,, M.A. Boles,, M. Lacroix, Chenelière re-mcgraw-hill, 2008) (lecture obligatoire pour Quiz no. 2: pages 39 à 65) (lecture obligatoire pour Quiz no. 3: pages 65 à 83) Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

2 Mots clés Formes d énergie Chaleur Travail 1 ère loi: bilan d énergie Rendement des conversions d énergie

3 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 1 ère loi de la thermodynamique. Définir la notion de rendement. M. Lacroix Travail et chaleur 3

4 La pièce se refroidit ou se réchauffe? r

5 La pièce se refroidit ou se réchauffe? r

6 Les formes d éd énergie 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 M. Lacroix Travail et chaleur 6

7 Formes d énergie microscopique qui constituent l énergie interne sensible

8 L énergie interne d un système est la somme de toutes ces formes d énergie microscopique.

10 L énergie mécaniquem Forme d énergie qui peut être convertie complètement et directement en travail mécanique à l aide d une machine comme une turbine parfaite. Puissance mécanique Débit massique = 2 P V m + + gz ρ 2 E méc Énergie d écoulement Énergie potentielle Énergie cinétique M. Lacroix Travail et chaleur 10

11 Débit massique = m ρav = ν AV kg/s kg/m 3 m 2 m/s M. Lacroix Travail et chaleur 11

12 CHALEUR C est de l énergie cinétique désordonnée. Elle est transmise à travers les limites d un système à température T 1 vers un autre système à température T 2 où T 1 >T 2. La chaleur dépend du chemin parcouru. C est une fonction de ligne (Joules). M. Lacroix Travail et chaleur 12

17 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 17

18 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 18

19 CONDUCTION: LOI DE FOURIER dt ka( T T ) q = ka = 1 2 x dx L q x T x A k : PUISSANCE TRANSFÉRÉE (W) : TEMPÉRATURE (K) : COORDONNÉE (m) : SURFACE TRAVERSÉE (m 2 ) : CONDUCTIVITÉ THERMIQUE (W/mK) M. Lacroix Travail et chaleur 19

20 CONDUCTIVITÉ 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 Glace 1.9 Neige 0.05 Muscle 0.4 M. Lacroix Travail et chaleur 20 Gras 0.2

21 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 21

22 CONVECTION: LOI DE NEWTON OU q q c '' c = ha( T T ) S = h( T T S ) q c '' q c A T s T h :PUISSANCE TRANSFÉRÉE (W) :FLUX DE CHALEUR = q W/m 2 c / A :SURFACE TRAVERSÉE (m 2 ) :TEMPÉRATURE DE LA SURFACE (K) :TEMPÉRATURE MOYENNE DU FLUIDE (K) :COEFFICIENT MOYEN DE TRANSFERT (W/m 2 K) M. Lacroix Travail et chaleur 22

23 h CONVECTION: COEFFICIENT : Paramètre calculé dépendant du type de fluide et de l écoulement. h Convection Fluide h (W/m 2 K) naturelle air 5-25 naturelle eau forcée air forcée eau ébullition eau condensation eau Ordre de grandeur du coefficient de convection h M. Lacroix Travail et chaleur 23

24 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 24

25 RAYONNEMENT: LOI DE STEFAN-BOLTZMANN q r = σεa( T 4 s T 4 sur ): PUISSANCE TRANFÉRÉE (W) A T s T sur ε σ = :SURFACE TRAVERSÉE (m 2 ) :TEMPÉRATURE DE LA SURFACE (K) :TEMPÉRATURE DES SURFACES ENVIRONNANTES (K) :EMISSIVITÉ DE LA SURFACE W / m K M. Lacroix Travail et chaleur 25 4 CONSTANTE STEFAN- BOLTZMANN

26 RAYONNEMENT: ÉMISSIVITÉ ε 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 M. Lacroix Travail et chaleur 26

27 TRAVAIL Travail: produit d une force F, agissant sur un corps, par le déplacement de ce corps dans la d r direction de la force: W = r 2 r 1 F Travail dépend de l évolution suivie (fonction de ligne) et des états extrêmes r 1 et r 2. Travail fait par une machine est positif (turbine). Le travail fait sur une machine est négatif ( pompe). d r (Joule) M. Lacroix Travail et chaleur 27

M. Lacroix Travail et chaleur 28 PUISSANCE PUISSANCE Puissance mécanique: Travail débité du temps t 1 au temps t 2 : Puissance déployée pour vaincre la

28 M. Lacroix Travail et chaleur 28 PUISSANCE PUISSANCE Puissance mécanique: Travail débité du temps t 1 au temps t 2 : Puissance déployée pour vaincre la résistance: = V F W = = t t t t dt V F dt W W = = = ) 2 1 ( V A C V V A C V F W D D ρ ρ Pour doubler la vitesse, la puissance est multipliée par huit! (Watt) 3

29 PUISSANCE TRANSMISE PAR UN ARBRE

30 PUISSANCE TRANSMISE PAR UN ARBRE La puissance transmise par l arbre d un moteur: = W F V = τ R ( Rω) = τ ω PUISSANCE (WATT) COUPLE (Nm) ROTATION (rad/s) M. Lacroix Travail et chaleur 30

31 TRAVAIL D UN D RESSORT

32 TRAVAIL D UN D RESSORT Force de rappel exercée lors de la compression ou l élongation d un ressort: F = kx Travail fait lors de la compression ou de l élongation du ressort: W = Fdx = k 1 xdx = 1 k( x 2 x ) M. Lacroix Travail et chaleur 32

33 PUISSANCE ÉLECTRIQUE

34 PUISSANCE ÉLECTRIQUE La puissance électrique dégagée sous forme de chaleur par un élément électrique: W e = V I = R I 2 PUISSANCE (WATT) TENSION (VOLT) COURANT (AMPÈRE) RÉSISTANCE (OHM) M. Lacroix Travail et chaleur 34

35 TRAVAIL ET CHALEUR: 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 35

36 TRAVAIL ET CHALEUR: 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 36

37 La première loi de la thermodynamique: principe de conservation d énergie M. Lacroix Travail et chaleur 37

38 La première loi de la thermodynamique L énergie n est ni produite, ni détruite. Elle est transformée d une forme à une autre.

39 La première loi de la thermodynamique

40 La première loi de la thermodynamique

41 La première loi de la thermodynamique

42 La première loi de la thermodynamique

43 La première loi de la thermodynamique

44 La première loi de la thermodynamique

45 La première loi de la thermodynamique: Le bilan d éd énergie (Variation de l énergie totale du système) = (Énergie totale entrante) (Énergie totale sortante) soit ΔE système = E in E out M. Lacroix Travail et chaleur 45

46 La variation de l él énergie totale du système ΔE système = E final E initial = E E 2 1 soit ΔE = ΔU + ΔKE + ΔPE où ΔU = m( u 2 u 2 1 ); 1 2 ΔKE = m( V2 V 2 ΔPE = mg( z z ); ); M. Lacroix Travail et chaleur 46

47 L énergie entrante et sortante et E in E out 1. La transmission de chaleur Q 2. Le transfert de travail W E 3. L écoulement in E masse E in E out = ( Qin Qout ) + ( Win Wout ) + ( Emasse, in Emasse, out ) = ΔE système M. Lacroix Travail et chaleur 47

48 La première loi de la thermodynamique: En termes d éd énergies E in E out Énergie transférée par la chaleur, le travail et les écoulements = ΔE système Variation des énergies interne, cinétique et potentielle du système M. Lacroix Travail et chaleur 48

49 La première loi de la thermodynamique: En termes de puissances E in E out = Puissance transférée par la chaleur, le travail et les écoulements de système dt Accumulation des énergies interne, cinétique et potentielle dans le système M. Lacroix Travail et chaleur 49

50 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. M. Lacroix Travail et chaleur 50

51 Rendement = (résultat escompté)/(investissement) η moteur = ( puissance _ mécanique _ produite) ( puissance _ électrique _ consommée)

52 Rendement total = produit des rendements individuels

53 EXERCICES SUGGÉRÉS Chapitre 2, THERMODYNAMIQUE, une approche pragmatique, Y.A. Çengel, M.A. Boles et M. Lacroix, Chenelière-McGraw-Hill, 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, M. Lacroix Travail et chaleur 53

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