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RÉSUMÉ
Cet article traite essentiellement des fluides thermodynamiques, leur étude étant indissociable de celle des diagrammes. Il comporte trois grandes parties : la première traite des évolutions récentes de la problématique et des critères de sélection des fluides thermodynamiques, la seconde présente quelques rappels de génie énergétique et la troisième est consacrée aux différents modèles les plus utilisés pour représenter les corps purs.
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Renaud GICQUEL : Professeur, PSL Research University, PERSEE Centre procédés, énergies renouvelables et systèmes énergétiques, Mines ParisTech, Sophia Antipolis, France
INTRODUCTION
Un diagramme de fluide thermodynamique se présente sous forme d’un graphique plan comportant le tracé d’un certain nombre de courbes remarquables, notamment des familles d’isovaleurs de ses fonctions d’état.
En mettant en évidence les transformations subies par ces fluides et en permettant de les calculer, au moins de manière approchée, les diagrammes font partie des outils de base du thermodynamicien.
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 montrons 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 (h, ln P) dit des frigoristes et le diagramme de Mollier (h, s).
Même si les progiciels de calcul des propriétés des fluides sont de plus en plus répandus, les diagrammes thermodynamiques continuent de jouer un rôle essentiel.
Leur intérêt est triple :
-
permettre de visualiser les propriétés des fluides ;
-
permettre de représenter graphiquement les cycles ;
-
faciliter l’estimation des caractéristiques thermodynamiques des fluides.
Le troisième intérêt a tendance à diminuer tandis que les deux premiers conservent toute leur actualité. En particulier, 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…
C’est parce que l’étude des diagrammes thermodynamiques est indissociable de celle des fluides qu’une série de quatre articles leur est dédiée :
-
la présentation des généralités sur les diagrammes avec un rappel des bases de thermodynamique, objet du présent article [BE 8 040] ;
-
l’analyse des diagrammes des fluides purs, des mélanges azéotropiques et des gaz idéaux (article [BE 8 041] « Diagrammes thermodynamiques. Fluides purs, azéotropes et gaz idéaux ») ;
-
l’étude des diagrammes de mélanges de fluides non azéotropiques (article [BE 8 042] « Diagrammes thermodynamiques. Mélanges utilisés dans les machines thermiques » ;
-
une présentation de quelques progiciels de thermodynamique [BE 8 044].
D’une manière générale, la présentation est orientée vers la seule compréhension des diagrammes et des progiciels de thermodynamique, avec quelques indications sur leur construction pratique.
Pour de plus amples développements théoriques, se reporter aux références bibliographiques, et en particulier à l’article [BE 8 020] « Propriétés thermo-dynamiques des fluides ».
Enfin, précisons que ces articles font, de très larges emprunts au chapitre 2 de l’ouvrage « 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 de cette collection.
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MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2002 par Renaud GICQUEL
- Version archivée 2 de juil. 2015 par Renaud GICQUEL
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3. Représentation des propriétés des corps
3.1 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.
à la pression atmosphérique et à la température ambiante, 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 °C.
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 2), 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...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOREL (L.) - Thermodynamique et énergétique. - Presses Polytechniques Romande, Lausanne, vol. 1 (1984), vol. 2 (Exercices corrigés) (1987).
-
(2) - BOREL (L.) - Introduction aux nouveaux bilans énergétiques. - Entropie, n° 153, 154, Paris (1990).
-
(3) - CHASE et al - Janaf thermochemical tables. - J. Phys. Chem. Ref. Data, vol. 14, suppl. 1 (1985).
-
(4) - FARGUE (D.) - Aide-mémoire de thermodynamique. - Presses de l’École des Mines, Paris (1999).
-
(5) - FER (F.) - Thermodynamique macroscopique. Tome 1 : Systèmes fermés. - Gordon and Breach Science Publ. (1970).
-
(6) - FER (F.) - Thermodynamique macroscopique. Tome 2 : Systèmes ouverts. - Gordon...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
L’article [BE 8 044] passe en revue toute une série de progiciels de thermodynamique.
HAUT DE PAGE
Thermoptim-UNIT http://www.thermoptim.org/
Principaux PRG à 100 ans http://www.bilans-ges.ademe.fr/
HAUT DE PAGE
ANSI/ASHRAE 34 (2007), Designation and Safety Classification of Refrigerants
NF EN 378 (2017), Systèmes frigorifiques et pompes à chaleur – Exigences de sécurité et d’environnement
HAUT DE PAGE...
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