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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Principales transformations dans les processus industrielsArticle inclus dans l'offre
"Physique énergétique"
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4. Représentation des propriétés des corps
4.1 Phases solide, liquide, gazeuse
Un corps pur peut se présenter sous l’une ou plusieurs des trois phases solide, liquide ou gazeuse, l’état solide pouvant même comporter plusieurs variétés dites allotropiques, qui traduisent les différents arrangements possibles du réseau cristallin.
Ces trois phases se distinguent, au plan microscopique, par l’intensité des forces intermoléculaires. À l’état solide, ces dernières ne permettent aux atomes que d’osciller autour de positions fixes de distribution aléatoire ou ordonnée (cristaux).
Leur intensité diminue dans les liquides, qui n’ont pas de forme propre, mais restent faiblement compressibles. On parle alors d’ordre à faible distance et de désordre à longue distance. Dans un gaz, les forces intermoléculaires sont très faibles, et les molécules animées de mouvements désordonnés.
Lorsque l’on chauffe un solide à pression constante bien choisie, il se transforme en liquide, et on parle de fusion. Si l’on continue à apporter de la chaleur, le liquide se transforme en vapeur, et on parle de vaporisation. Il est aussi possible qu’un solide se transforme directement en vapeur, ce qui s’appelle une sublimation. La température à laquelle ces transformations se réalisent dépend de la pression exercée sur le corps considéré. Par exemple à la pression atmosphérique, le CO2 se sublime, c’est-à-dire passe directement de l’état solide à l’état gazeux, tandis que l’eau bout à 100 oC.
Lorsqu’une masse donnée d’un corps pur se présente sous une seule phase, son état est défini par deux variables, par exemple sa pression et sa température. Dans le plan (P, T ) (figure 1), les trois phases correspondent à trois domaines, séparés par trois courbes de saturation (sublimation, vaporisation et fusion) se rejoignant au point triple T.
Chacune des courbes correspond à un équilibre diphasique. Par exemple, la courbe la plus à droite est l’ensemble des points figuratifs de l’équilibre d’un liquide avec sa vapeur. L’équilibre diphasique suppose donc que la pression et la température vérifient une relation caractéristique de la nature du fluide.
Pour que chacun de ces changements de phase puisse se réaliser, il est nécessaire de fournir ou de retirer de l’énergie,...
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