Présentation
Auteur(s)
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Renaud GICQUEL : Professeur à l’École des mines de Paris - Directeur du Centre d’énergétique
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleINTRODUCTION
En mettant en évidence les transformations subies par les fluides et en permettant de les calculer, au moins de manière approximative, les diagrammes font partie des outils de base du thermodynamicien. Leur intérêt est double :
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permettre de représenter graphiquement les cycles ;
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faciliter l’estimation des propriétés thermodynamiques des fluides.
Du fait des possibilités offertes par les progiciels de calcul des propriétés des fluides qui sont de plus en plus répandus, le second intérêt a tendance à diminuer tandis que le premier conserve toute son actualité. Visualiser sur un diagramme un cycle calculé à l’aide d’un outil informatisé permet même souvent de s’assurer qu’il ne comporte pas de point aberrant dû à une erreur lors de l’entrée des données...
Un diagramme se présente sous forme d’un graphique plan comportant le tracé d’un certain nombre de courbes remarquables, notamment des familles d’isovaleurs des fonctions d’état.
Pour un diagramme papier, la lecture de l’état d’un point se fait d’une part sur les axes, et d’autre part par interpolation entre les courbes d’isovaleurs. Pour un diagramme interactif, elle s’obtient par un simple clic de souris, les valeurs précises étant affichées à l’écran.
Comme nous le montrerons dans cet article, différents systèmes de coordonnées sont retenus selon les cas, les plus utilisés pour les corps purs étant le diagramme entropique (T, s), le diagramme de Mollier (h, s) et le diagramme (h, ln P) dit des frigoristes.
Cette étude est divisée en quatre parties :
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une présentation des généralités sur les diagrammes et un rappel des bases de thermodynamique, objet du présent article ;
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l’analyse des diagrammes des fluides purs, des mélanges azéotropiques et des gaz idéaux (article Diagrammes thermodynamiques- Fluides purs, azéotropes et gaz idéaux) ;
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l’étude des diagrammes de mélanges de fluides non azéotropiques (article Diagrammes thermodynamiques- Mélanges utilisés en réfrigération) ;
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une présentation de quelques progiciels de thermodynamique.
D’une manière générale, nous avons volontairement adopté une présentation aussi simple que possible des choses, orientée vers la seule compréhension des diagrammes et des progiciels de thermodynamique, avec quelques indications sur leur construction pratique.
Les lecteurs intéressés par de plus amples développements théoriques pourront se reporter aux références bibliographiques, et en particulier à l’article Propriétés thermodynamiques des fluides.
Enfin, précisons que ces articles font, avec l’autorisation des Presses de l’École des Mines de Paris, de très larges emprunts au chapitre 2 de l’ouvrage de l’auteur intitulé « Systèmes Énergétiques, Tome 1 : méthodologie d’analyse, bases de thermodynamique, Thermoptim ». Les notations sont celles de ce livre, à quelques variantes près effectuées par souci d’homogénéité avec d’autres articles des Techniques de l’Ingénieur.
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VERSIONS
- Version archivée 2 de juil. 2015 par Renaud GICQUEL
- Version courante de mars 2020 par Renaud GICQUEL
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Représentation des propriétés des corpsArticle inclus dans l'offre
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3. Définitions, rappels de thermodynamique
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État d’un système, grandeurs intensives et extensives
La notion d’état d’un système représente « l’information minimale nécessaire à la détermination de son comportement futur ». Les variables d’état (températures, pressions...) constituent l’ensemble des grandeurs physiques (ou propriétés thermodynamiques) nécessaires et suffisantes pour caractériser complètement un système à un instant donné. Il existe généralement plusieurs ensembles répondant à cette définition, mais on notera que la vitesse n’est pas une variable d’état, étant donné que sa définition fait intervenir deux instants successifs. Nous verrons par la suite que, pour une phase de masse unitaire, deux grandeurs suffisent pour déterminer toutes les autres. Il en résulte qu’existent des équations reliant chaque variable d’état à deux d’entre elles indépendantes : v = f (P, T )... On appelle équations d’état de telles relations, fondamentales en pratique.
Selon le problème posé, on retient le plus souvent les couples suivants : (pression, volume), (pression, température), (température, volume). Une fonction d’état est une grandeur dont la valeur ne dépend que de l’état du système, et non pas de son histoire.
Un modèle physique fait intervenir des grandeurs représentatives de l’état d’un système, qui sont a priori fonction du temps et de la position du point considéré. Ces grandeurs peuvent être regroupées en deux grandes classes :
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les grandeurs intensives, telles que la pression ou la température, qui sont indépendantes de la quantité de matière considérée ;
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les grandeurs extensives, telles que la masse, l’enthalpie ou l’entropie, qui dépendent de la masse du système. Lorsqu’une grandeur extensive est ramenée à l’unité de masse considérée, nous parlerons de grandeur extensive spécifique (enthalpie massique...), encore que certains auteurs la qualifient aussi de grandeur intensive.
Une grandeur intensive relie la condition en un point du milieu considéré à une condition de référence en un autre point ou dans un autre milieu. Par exemple, la température est définie par rapport au zéro absolu...
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