Qu’est-ce que la thermodynamique appliquée ? Si vous vous posez cette question, vous êtes certainement un étudiant en génie industriel avec une spécialisation mécanique. Comme vous le savez, la thermodynamique appliquée fait généralement partie des examens de la deuxième année du cursus d'ingénierie mécanique.
Pour donner une définition de ce sujet, il faut répondre à une question plus ciblée : qu’étudie la thermodynamique ? Il s'agit de la science qui étudie comment transformer la chaleur en énergie/travail pour faire fonctionner des systèmes tels que des turbines, des moteurs et des réfrigérateurs. En d’autres termes, la thermodynamique appliquée explique la manière dont une machine génère de l’énergie et enseigne comment concevoir cette machine pour qu’elle soit aussi efficace que possible.
Pour bien comprendre de quoi nous parlons, continuez à lire notre guide. Nous répondrons non seulement à votre question initiale « qu'est-ce que la thermodynamique appliquée ? », mais nous vous donnerons également quelques conseils utiles pour réussir l'examen.
Thermodynamique appliquée qu'est-ce que c'est : les systèmes
Commençons par les bases. La thermodynamique étudie ce qu'on appelle les systèmes, caractérisés par l'échange d'énergie et de matière. Qu'est-ce que ça veut dire? Nous avons deux systèmes possibles :
- fermé – échange de l’énergie mais pas de matière. Le gaz enfermé dans le cylindre d’un moteur est un système fermé, car il échange de la chaleur et du travail avec l’extérieur mais n’échange pas de matière. Autrement dit, le gaz reste toujours scellé dans la bouteille.
- ouvert – échange à la fois de l’énergie et de la matière. Les turbocompresseurs appartiennent à cette catégorie, car ils aspirent l’air et le rejettent comprimé.
Chaque système est donc caractérisé par les trois variables suivantes : la pression, la température et la masse volumique. Ce dernier représente le volume occupé par 1 kg de gaz. Les trois variables sont reliées entre elles par une équation d’état. Si l'on connaît deux variables, la troisième est décidée via l'équation d'état.
Première loi de la thermodynamique
La thermodynamique appliquée est basée sur des principes. Commençons par le premier :
L'énergie ne peut pas être créée ou détruite, mais seulement transformée.
Essayons d'expliquer ce principe de manière simple. Imaginez un carburant qui brûle. Que fait-il? Génère de la chaleur. Cette chaleur peut être utilisée pour dilater un gaz. Enfin, la détente de ce gaz est utilisée pour déplacer un piston.
La traduction mathématique de la première loi de la thermodynamique est la suivante :
- ΔQ (chaleur fournie) = ΔL (travail) + ΔU (énergie)
Deuxième loi de la thermodynamique
La deuxième loi de la thermodynamique est la suivante :
Il n’est pas possible de transformer en travail toute la chaleur provenant d’une seule source à température constante.
Qu'est-ce que ça veut dire? La deuxième loi de la thermodynamique nous dit simplement qu’aucune machine thermodynamique ne peut avoir un rendement de 100 %. En termes simples, une partie de la chaleur sera gaspillée.
En tant que futur ingénieur en mécanique, votre tâche sera de calculer la chaleur perdue, afin de maximiser les performances de votre machine.
Il s’agissait précisément de répondre à la question « quelle est la quantité maximale de travail que nous pouvons obtenir à partir d’une certaine quantité de chaleur ? » que Sandi Carnot a créé en 1824 ce qu'on appelle le cycle de Carnot.
Le cycle Carnot
Le cycle de Carnot décrit comment un gaz, enfermé dans un cylindre, change de volume et de pression pour produire du travail, c'est-à-dire pour provoquer le mouvement d'un piston. Le cycle se compose de quatre étapes :
- détente à chaud (isotherme) : le gaz absorbe de la chaleur et commence à se dilater. La dilatation du gaz pousse le piston
- détente isolée (adiabatique) : le gaz n'absorbe plus de chaleur, mais continue de se dilater par inertie. Évidemment, à ce stade, le gaz commence également à se refroidir
- compression à froid (isotherme) : le piston recule et le gaz dégage de la chaleur vers l'extérieur
- compression isolée (adiabatique) : le gaz est comprimé sans échange de chaleur jusqu'à ce qu'il revienne à sa température et sa pression initiales
Thermodynamique dans les moteurs : applications pratiques
Nous arrivons maintenant à la partie la plus intéressante de notre guide, concernant les applications pratiques de ce sujet.
La thermodynamique appliquée est la boîte à outils d'un ingénieur en mécanique. Ce n’est pas seulement une matière à étudier pour réussir l’examen. Vous devrez vous l'approprier car vous en aurez besoin pour vos futurs défis dans le domaine de l'ingénierie.
En fait, vous utiliserez le premier principe pour calculer le travail produit. La seconde servira cependant à définir l’efficacité maximale de votre système (moteur, voiture, réfrigérateur, etc.). Une fois vos calculs effectués, vous aurez un objectif à atteindre. En tant qu'ingénieur en mécanique, votre travail consistera à maximiser le travail (L) et à minimiser la chaleur perdue (QF). Une fois diplômé, vous appliquerez vos connaissances en thermodynamique pour travailler sur de nombreux systèmes différents, notamment :
- systèmes de réfrigération
- climatiseurs
- pompes à chaleur
- compresseurs et pompes
- échangeurs de chaleur
- systèmes de ventilation et humidificateurs
- turbines à gaz et turbines à vapeur
- moteurs à combustion interne (moteurs diesel et essence des voitures)
- systèmes d'énergies renouvelables (solaire thermodynamique)
Examen de thermodynamique appliquée
Le plan d'études en génie mécanique comprend un examen de thermodynamique appliquée en deuxième année. Mais comment étudier la thermodynamique ?
Supposons que vous devrez à la fois mémoriser les concepts et apprendre à les appliquer. Autrement dit, une grande partie de la préparation devra être axée sur les exercices. En fait, pour réussir l’examen, il faut être capable d’appliquer les principes. Cela signifie que vous devrez organiser la préparation avec logique et beaucoup de méthode.
La première chose à faire est de déterminer le temps dont vous disposez. Autrement dit, de combien de semaines disposez-vous pour préparer votre examen ? Une fois les horaires fixés, répartissez la charge de travail quotidiennement.
Autrement dit, déterminez le nombre d’heures dont vous avez besoin pour étudier chaque jour et consacrez une partie de ces heures à la pratique. Autrement dit, vous combinerez toujours théorie et pratique. Pendant que vous pratiquez, portez une attention particulière aux unités de mesure. Vous ne pouvez pas vous tromper et tomber dans l’erreur. Une petite astuce ? Écrivez toujours les unités de mesure à côté des chiffres dans les différentes étapes.
Comment étudier la thermodynamique : quelques suggestions utiles
Comme tout examen, l’examen de thermodynamique appliquée se caractérise également par des sujets plus simples et des sujets qui nécessitent un plus grand engagement. Souvent donc, les étudiants s'accordent à trouver certains sujets difficiles, qui deviennent une sorte de bête noire de l'examen. Qu'est-ce que ça veut dire? Prenons un petit exemple.
De nombreux étudiants échouent à l’examen parce qu’ils ne peuvent pas lire les tableaux des propriétés de la vapeur. Si vous ne voulez pas vous heurter à ce problème et compromettre le résultat de l'examen, il n'y a qu'une seule chose à faire : vous concentrer sur les tableaux et schémas lors de la préparation.
Si vous vous sentez en difficulté, demandez de l’aide à un camarade de classe. Autrement dit, vous pouvez organiser des groupes d'étude avec plusieurs collègues, afin de pouvoir aborder ensemble les exercices et la théorie et vous entraider.
Une autre stratégie que vous pourriez utiliser pour faciliter la mémorisation et la compréhension consiste à dessiner des cycles. Qu'est-ce que ça veut dire? Prenez une feuille de papier vierge et essayez de dessiner le cycle du réfrigérateur ou le cycle de Rankine à partir de zéro. De plus, pendant que vous dessinez, expliquez à haute voix ce qui se passe dans chaque phase du cycle.
De cette façon, vous obtenez un double résultat. Avec cette petite astuce, en effet, vous révisez non seulement le sujet, mais vous effectuez également une simple vérification de votre propre préparation. Qu'est-ce que ça veut dire? Si vous réalisez que vous pouvez facilement expliquer ce qui se passe dans les différentes phases du cycle, cela signifie que vous maîtrisez parfaitement le sujet.
