THERMODYNAMIQUE APPLIQUÉE : LES BASES ET DOMAINES D’APPLICATIONS

Last updated on mars 13th, 2024 at 02:51 am

Professeur Alina Adriana Minea, Université technique « Gheorghe Asachi » de Iasi

Bd. D. Mangeron no.63, Iasi, 700050, Roumanie

E-mail : aminea@tuiasi.ro

Pour commencer, une brève introduction à la thermodynamique. La thermodynamique est tout d’abord la science de la relation entre la chaleur, le travail, la température et l’énergie. Autrement dit, la thermodynamique est le transfert d’énergie d’une partie à une autre. Ainsi que d’une forme à l’autre. 

Tous ces phénomènes reposent sur le concept clé suivant : la chaleur est une forme d’énergie correspondant à une quantité définie de travail mécanique.

La thermodynamique est régie par plusieurs principes de base, identifiés comme suit :

Le principe zéro de la thermodynamique 

Lorsque deux systèmes sont chacun en équilibre thermique avec un troisième système, les deux premiers systèmes sont en équilibre thermique l’un avec l’autre. Cette propriété donne un sens à l’utilisation des thermomètres comme « troisième système » et à la définition d’une échelle de température.

Le premier principe de la thermodynamique 

Aussi appelé la loi de la conservation de l’énergie. La modification de l’énergie interne d’un système est égale à la différence entre la chaleur ajoutée au système par son environnement et le travail effectué par le système sur son environnement.

Il s’agit d’un outil crucial pour analyser et comprendre le comportement des systèmes dans divers domaines, de la physique et de la chimie à l’ingénierie et aux sciences de l’environnement, nous permettant de quantifier la conversion d’énergie entre différentes formes au sein d’un système fermé.

Le deuxième principe de la thermodynamique

La chaleur ne circule pas spontanément d’une région plus froide vers une région plus chaude. Autrement dit, la chaleur à une température donnée ne peut pas être entièrement convertie en travail. Il en résulte que l’entropie d’un système fermé, ou l’énergie thermique par unité de température, augmente avec le temps pour atteindre une certaine valeur maximale. Par conséquent, tous les systèmes fermés tendent vers un état d’équilibre dans lequel l’entropie est maximale et aucune énergie n’est disponible pour effectuer un travail utile.

Le troisième principe de la thermodynamique 

L’entropie d’un cristal parfait d’un élément sous sa forme la plus stable tend vers zéro lorsque la température s’approche du zéro absolu. Cela permet d’établir une échelle absolue pour l’entropie. D’un point de vue statistique, cela détermine le degré d’aléatoire ou de désordre dans un système.

La thermodynamique est à la base de tous les processus de chauffage avec des applications directes dans l’industrie et la recherche dans les domaines correspondants. Le développement de la thermodynamique a été extrêmement rapide au cours des derniers siècles, notamment en raison du besoin urgent d’optimiser les performances de la plupart des équipements de chauffage. Par exemple, les moteurs à vapeur et les réchauffeurs industriels.

Plus exactement, les principes de la thermodynamique donnent une description complète de tous les changements de l’état énergétique d’un système. Ainsi que sa capacité à effectuer un travail utile sur son environnement.

La thermodynamique est à la fois une branche de la physique et une science de l’ingénieur.

Variables et unités

Les variables peuvent caractériser toute quantité physique. Les grandeurs arbitraires attribuées aux variables sont appelées unités. Il existe deux types de variables, les variables primaires ou fondamentales et les variables secondaires ou dérivées, comme par exemple :

• Les variables primaires sont : la masse, m ; la longueur, L ; le temps, t et la température, T
• Les variables secondaires sont celles qui peuvent être dérivées des variables primaires telles que : la vitesse (m/s), la pression (Pa = kg/m.s2).

Systèmes fermés et ouverts

Un système est une quantité de matière ou une région de l’espace choisie pour être étudiée. La masse ou la région extérieure au système est l’environnement.

Une « frontière » est la surface réelle ou imaginaire qui sépare le système de son environnement.

Les frontières d’un système peuvent être fixes ou mobiles. Mathématiquement, la frontière a une épaisseur nulle, une masse nulle et un volume nul.

Système fermé ou masse témoin : il consiste en une quantité fixe de masse. Aucune masse ne peut franchir sa frontière. Mais l’énergie sous forme de chaleur ou de travail peut traverser la frontière. Le volume d’un système fermé ne doit pas nécessairement être fixe.

Système ouvert ou volume de contrôle : C’est une région de l’espace correctement sélectionnée. Il renferme généralement un dispositif qui implique un débit massique, tel qu’un compresseur. La masse et l’énergie peuvent toutes deux traverser la frontière d’un volume de contrôle.

Système isolé : Un système fermé qui ne communique pas avec l’environnement par quelque moyen que ce soit.

Système rigide : Un système fermé qui communique avec l’environnement uniquement par la chaleur.

Système adiabatique : Un système fermé ou ouvert qui n’échange pas d’énergie avec l’environnement par la chaleur.

Processus et cycles

Tout changement que subit un système d’un état d’équilibre à un autre est un processus. La série d’états par lesquels passe un système au cours d’un processus est un chemin.

Les contraintes imposées par les principes de la thermodynamique étant très générales, le nombre d’applications potentielles est si important qu’il est impossible de présenter ici toutes les formules susceptibles d’être utilisées. Les praticiens du domaine de la thermodynamique doivent donc être capables d’effectuer des manipulations mathématiques, notamment des dérivées partielles, et de comprendre parfaitement leur signification physique.

La thermodynamique classique a la particularité de prédire la direction des changements spontanés en toute indépendance de la structure microscopique de la matière. Cela représente également une limite dans la mesure où aucune prédiction n’est faite sur la vitesse à laquelle un système se rapproche de l’équilibre. En fait, la vitesse peut être extrêmement lente, comme dans le cas de la transition spontanée des diamants en graphite. Les statistiques thermodynamiques fournissent des informations sur la vitesse des processus. Ainsi qu’un aperçu important de la nature statistique de l’entropie et de la deuxième loi de la thermodynamique.

La thermodynamique appliquée aux thermoplongeurs

Un thermoplongeur est un dispositif installé dans un réservoir ou un conteneur pour chauffer un liquide. L’installation peut être amovible, à bride ou filetée.

Les thermoplongeurs utilisent l’immersion directe dans différents fluides pour un chauffage plus rapide et plus précis. Par exemple, l’eau, les huiles, les matériaux visqueux, les solvants, les solutions de traitement, les matériaux fondus et les gaz. En générant toute la chaleur au sein du liquide ou du processus, ces appareils de chauffage ont un rendement énergétique proche de 100 %. De nombreux modèles sont disponibles et proposés dans de nombreuses tailles, puissances et tensions, et avec une variété de connexions de raccordement, de matériaux de gaine et d’accessoires.

Les thermoplongeurs industriels ont acquis une réputation bien méritée pour leur adaptabilité dans toutes les industries. Ils remplissent une variété impressionnante de fonctions dans de nombreuses applications industrielles. Par exemple : produits chimiques, alimentation et agriculture, fusion, chauffage des fluides. En fait, les thermoplongeurs sont souvent utilisés pour remplacer les réchauffeurs à fluides à base de combustible, les infrarouges, les micro-ondes, les éléments chauffants à résistance, les réacteurs et autres types de fours.

 Il existe de nombreux types de thermoplongeurs disponibles sur le marché, en fonction de leur application spécifique. Le processus de chauffage de base consiste à améliorer la convection dans différents fluides en appliquant une source de chaleur à l’intérieur du fluide.

La méthode d’immersion directe est économe en énergie et convient bien à de nombreuses applications.

En conclusion, la thermodynamique est à la base de tous les processus industriels, en particulier dans les processus à moyenne et grande échelle de température. Ainsi, les principes fondamentaux de la thermodynamique sont extrêmement pertinents pour évoluer vers un monde meilleur, grâce à l’amélioration des performances globales de toute usine, de tout équipement, ainsi que de leur conception globale.

Pour terminer, nous affirmons que tout ingénieur moderne, en plus d’être un bon professionnel, doit utiliser le concept de la thermodynamique pour examiner et réinventer des choses qui sont également destinées à la sécurité et au confort de l’homme.