Machines motrices et réceptrices T-CMEC-007 : Thermodynamique appliquée

Flashcards de vocabulaire et définitions fondamentales basées sur le cours de thermodynamique et machines motrices et réceptrices (T-CMEC-007).

Système macroscopique

Petite portion de l'Univers à l'échelle humaine qui délimite un volume fini, dont l'état physique est décrit par des grandeurs mesurables telles que la pression, la température et le volume.

Variables d'état

Grandeurs physiques mesurables (comme la pression $p$, le volume $v$, la température $T$, la masse volumique ou la compressibilité) liées entre elles et dont les valeurs déterminent entièrement l'état d'équilibre d'un système.

Paroi diathermane

Paroi perméable aux effets thermiques, laissant librement passer la chaleur entre le système et le milieu extérieur.

Système adiabatique

Système limité par une paroi athermane, c'est-à-dire rigoureusement étanche aux flux de chaleur et à tout échange thermique avec l'extérieur ($dQ = 0$).

Principe zéro de la thermodynamique

Principe selon lequel si deux systèmes séparés par une paroi diathermane sont en équilibre thermique, et que chacun est en équilibre thermique avec un troisième, ils sont obligatoirement en équilibre thermique entre eux.

Grandeur thermométrique

Propriété physique mesurable d'un corps (comme la hauteur de liquide, l'allongement d'une barre ou la résistance électrique) qui varie de façon continue et mesurable en fonction de la température.

Échelle Réaumur

Échelle thermométrique arbitraire attribuant la valeur $t_1 = 0$ au point d'équilibre glace-eau et $t_2 = 80$ au point d'équilibre eau-vapeur sous pression atmosphérique normale.

Échelle Fahrenheit

Échelle de température attribuant la valeur $t_1 = 32$ au point d'équilibre glace-eau et $t_2 = 212$ au point d'équilibre eau-vapeur sous pression atmosphérique normale.

Échelle centésimale de Celsius

Échelle thermométrique basée sur $t_1 = 0$ (glace fondante) et $t_2 = 100$ (eau bouillante), où chaque degré Celsius représente la centième partie de la variation de la grandeur thermométrique entre ces deux repères fixes.

Hypothèse d'Avogadro

Hypothèse stipulant que des volumes égaux de gaz différents, mesurés dans les mêmes conditions de température et de pression, renferment le même nombre de molécules.

Volume molaire normal

Volume occupé par une mole de gaz ($N = 6,023 \times 10^{23}$ molécules) dans les conditions habituelles de température et de pression, égal à $22,4\,\text{dm}^3$ (litres).

Constante spécifique $r$ de l'air sec

Constante massique des gaz parfaits intervenant dans la relation $pv = rT$, valant $287\,\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ pour l'air sec à $15\,^{\circ}\text{C}$.

Loi de Mariotte

Loi physique stipulant qu'à température constante, le volume d'une masse donnée de gaz varie en raison inverse de sa pression ($pv = \text{Cte}$).

Calorie

Quantité de chaleur requise pour élever la température d'un gramme d'eau de $14,5\,^{\circ}\text{C}$ à $15,5\,^{\circ}\text{C}$, équivalente selon la relation de Joule à $4,185\,\text{J}$.

Rayonnement thermique

Mode de transmission de chaleur par ondes électromagnétiques ne nécessitant aucun support matériel, régi pour un corps noir par la loi de Stefan-Boltzmann où la puissance surfacique totale est proportionnelle à $T^4$.

Conduction thermique

Mode de transfert d'énergie calorifique au sein d'un milieu matériel sans déplacement d'ensemble de matière, proportionnel à la surface $S$, au coefficient de conductibilité thermique $\lambda$ et au gradient de température $\frac{\Delta T}{l}$.

Convection

Mode de transfert thermique spécifique aux fluides où le transport d'énergie s'accompagne d'un déplacement macroscopique de matière engendré par des différences locales de masse volumique consécutives au gradient de température.

Loi de Dulong et Petit

Loi empirique établie en 1819 énonçant qu'aux températures ordinaires, le produit de la masse atomique $A$ par la capacité thermique massique $c$ des solides simples lourds est approximativement constant : $Ac \approx 6,4\,\text{cal}$.

Chaleur sensible

Quantité d'énergie thermique échangée par un corps qui produit une variation mesurable de sa température sans modifier son état physique.

Chaleur latente

Quantité de chaleur absorbée ou restituée par une substance lors d'un changement d'état physique (fusion, vaporisation, condensation, solidification) sans modification de sa température.

Calorimètre

Enceinte thermiquement isolée permettant de mesurer les quantités de chaleur dégagées ou absorbées en observant la variation de température d'une masse connue de fluide auxiliaire (eau ou huile).

Courbe d'échauffement et de changement d'état de l'eau

Diagramme mettant en évidence la distinction entre chaleur sensible (pentes où la température varie) et chaleur latente (paliers isothermes à $0\,^{\circ}\text{C}$ valant $335\,\text{kJ}$ et à $100\,^{\circ}\text{C}$ valant $2257\,\text{kJ}$ à pression atmosphérique de $1,013\,\text{bar}$).

Premier principe de la thermodynamique

Principe d'équivalence et de conservation affirmant que le bilan $(W + Q)$ échangé entre un système et l'extérieur dépend uniquement de l'état initial et de l'état final, et définit la variation d'énergie interne $\Delta U = W + Q$.

Indicateur de Watt

Dispositif composé d'un petit cylindre à ressort raccordé à la chambre d'une machine motrice et d'un stylet permettant d'enregistrer graphiquement l'évolution de la pression interne en fonction du volume déplacé par le piston.

Enthalpie ($H$)

Fonction d'état définie par $H = U + pv$, représentant l'énergie totale d'un système et dont la variation mesure directement la quantité de chaleur échangée lors d'une évolution à pression constante ($\Delta H = Q_p$).

Première loi de Joule

Loi thermodynamique déduite de l'expérience de détente d'un gaz dans le vide sans échange de travail ni de chaleur, établissant que l'énergie interne d'un gaz parfait ne dépend exclusivement que de sa température absolue $T$.

Relation de Mayer

Relation fondamentale pour les gaz parfaits reliant les capacités thermiques molaires à pression et à volume constants : $C_p - C_v = R$ (soit $c_p - c_v = r$ en grandeurs massiques).

Détente de Joule-Thomson

Détente adiabatique continue d'un fluide s'écoulant à travers un étranglement ou un bouchon poreux, caractérisée par une enthalpie rigoureusement constante ($H_1 = H_2$) et provoquant le refroidissement de la plupart des gaz réels.

Transformation isochore

Transformation thermodynamique effectuée à volume rigoureusement constant ($dv = 0$), au cours de laquelle le système n'échange aucun travail mécanique avec l'extérieur ($W = 0$).

Transformation isobare

Transformation thermodynamique s'effectuant à pression constante ($dp = 0$), où le travail échangé s'exprime par $W_{12} = -p(v_2 - v_1)$ et la chaleur reçue par $Q_{12} = c_p (T_2 - T_1)$.

Transformation isentropique

Transformation adiabatique réversible ne comportant aucun échange de chaleur avec le milieu extérieur ($dQ = 0$) et s'effectuant à entropie constante ($dS = 0$), suivant la loi $pv^\gamma = \text{Cte}$.

Transformation polytropique

Transformation réelle d'un gaz combinant variation de température et échange de chaleur avec l'extérieur, représentée par la relation $pv^k = \text{Cte}$, où $k$ est un exposant expérimental.

Second principe de la thermodynamique

Principe introduisant l'irréversibilité des processus réels et affirmant qu'une machine thermique motrice ne peut fournir un travail continu qu'en échangeant de la chaleur avec au moins deux sources thermiques à températures différentes.

Rendement de Carnot

Rendement maximal théorique d'un cycle moteur réversible évoluant entre une source chaude à $T_{ch}$ et une source froide à $T_f$, donné par $\eta_{\text{Carnot}} = 1 - \frac{T_f}{T_{ch}}$.

Entropie ($S$)

Fonction d'état thermodynamique définie différentiellement par $dS = \frac{dQ}{T}$ pour une transformation réversible, mesurant le degré de désordre moléculaire et la dégradation de l'énergie interne au sein d'un système isolé.

Cycle de Beau de Rochas

Cycle théorique des moteurs à essence à 4 temps, constitué d'une compression adiabatique, d'une combustion isochore (instantanée à volume constant), d'une détente adiabatique et d'un échappement isochore.

Cycle Diesel

Cycle moteur thermique à auto-allumage où l'air pur est d'abord comprimé adiabatiquement, suivi d'une injection de combustible assurant une combustion isobare (à pression constante), puis d'une détente adiabatique et d'un échappement isochore.

Taux de compression volumétrique ($\rho$)

Rapport géométrique adimensionnel entre le volume maximal et le volume minimal occupés par le fluide dans le cylindre : $\rho = \frac{V_{\max}}{V_{\min}}$.

Transvasement

Opérations mécaniques de remplissage (admission/aspiration) et de vidange (échappement/refoulement) permettant le renouvellement de la masse de fluide moteur dans une machine thermique ouverte.

Turbine à gaz à cycle simple

Machine motrice à flux continu associant une aspiration d'air, une compression adiabatique, un apport de chaleur par combustion isobare, une détente adiabatique dans la turbine et un échappement dans l'atmosphère.