Thermodynamique et thermique (PHYS551_MM)

Volume horaire

CM : 13,5h / TD : 15h / TP : 12h

Présentation

Le cours décrit les principes fondamentaux qui régissent les évolutions de systèmes soumis à des transformations faisant intervenir des échanges énergétiques sous forme de travail et chaleur. Les trois modes de transfert de chaleur (convection, conduction et rayonnement) seront approfondis.

Objectifs

Ce cours vise à rendre l'élève apte à :

Niveau

A l'issue de ce cours l'élève sera capable :

faire un bilan d'énergie sur un système thermique et modéliser un problème simple d'échange de chaleur

Maîtrise

de proposer un modèle simplifié pour un système thermique en régime permanent

  

de résoudre le problème d'une structure 1D en thermique stationnaire soumise à des conditions classiques (phénomènes de convection, température ou flux imposé).

  

d'évaluer le coefficient d'échange en convection en exploitant les corrélations expérimentales usuelles.

  

de définir les équations traduisant chacun des modes de transfert thermique

comprendre l'intérêt pratique des cycles thermodynamiques (turbines, moteurs à combustion interne, réfrigérateurs, pompes à chaleur...)

Application

d'exprimer analytiquement les puissance et rendement pour des cycles sans changement de phase à partir des grandeurs thermodynamiques

  

de savoir évaluer le rendement et la puissance d'une machine thermodynamique à partir de son cycle

comprendre et interpréter les phénomènes associés aux principales transformations thermodynamiques

Application

d'exprimer le travail ou la chaleur échangé pour une transformation élémentaire (isotherme, adiabatique, isochore, isobare)

Pré-requis

Pré-requis : dérivées partielles, équations différentielles

Plan du cours

Plan du cours

NOTIONS DE THERMODYNAMIQUE

  1. Généralités
    1. Systèmes, échanges et transformations thermodynamiques
    2. Equilibre, variables d'état (extensives et intensives) et fonction d'état
  2. Grandeurs et relations de la thermodynamique
  3. Principes fondamentaux
    1. Principe zéro et la notion d'équilibre thermique,
    2. Premier principe et caractère conservatif de l'énergie,
    3. Deuxième principe, notion d'irréversibilité et concept d'entropie,
    4. Troisième principe et propriétés de la matière dans le voisinage du zéro absolu.
  4. Evolution des systèmes.
    1. Diagrammes thermodynamiques.
    2. Bilan d'énergie, rendement et coefficient de performances.

NOTIONS DE THERMIQUE

  1. Conduction thermique
    1. Loi de Fourier, conductivité thermique des matériaux
    2. Equation de la chaleur dans un solide immobile et isotrope
    3. Résistances et conductances thermiques
  2. Convection
    1. Loi de Newton,
    2. Principe de la convection
    3. Nombres caractéristiques
  3. Rayonnement thermique
    1. Grandeurs du rayonnement, lois de Planck, Wien, Stefan-Boltzmann, Kirchoff
    2. Echanges entre corps noirs et échanges entre corps gris

Travaux pratiques

  • Pompe à chaleur
  • Moteur de Stirling (corrélation modèle/essais)
  • Mesures de coefficients d'échange de chaleur
  • Propagation de chaleur dans une poutre (corrélation modèle/essais)
  • Simulations de systèmes thermodynamiques

Informations complémentaires

Bibliographie

  • Manuel de thermique, théorie et pratique, 2ème édition, Bernard Eygluent, Hermes Ed., 1997
  • Thermodynamique et Energétique, Lucien BOREL, Presses Polytechniques Romandes,
  • Thermodynamique, L.Couture, Ch. Chaine, R. Zitoun, Dunod Université Ed., 1989
  • Initiation aux transferts thermiques, J.F. Sacadura, Technique et Documentation Ed., 1980
  • Heat and Thermodynamics, M.W. Zemansky, R.H. Dittman, McGraw Hill-Science 7th Ed., 1996
  • http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/blanquet/conducti/cddex.htm

Diplômes intégrant ce cours

En bref

Langue d'enseignement
Français

Contact(s)

UFR, Écoles, Instituts