0P14 THERMODYNAMIQUE ET TRANSFERT DE CHALEUR - PASS

Les finalités de l'UE

Cette Unité d'Enseignement (UE) traite conjointement des transferts d'énergie et de chaleur. Nous aborderons ici la thermodynamique sous un angle relativement pragmatique. A l'aide des notions fondamentales et uniformisées qui seront envisagées comme de puissants outils, nous arriverons à comprendre, analyser et prédire le fonctionnement d'applications usuelles telles que les pompes à chaleur, les centrales TGV (Turbine-Gaz-Vapeur), les moteurs thermiques et les turbo-réacteurs. Dans le cadre des échanges thermiques, l'étude préliminaire des différents modes de transfert de chaleur nous conduira ensuite à aborder divers procédés industriels tels que les échangeurs de chaleur, les caloducs et les ailettes de refroidissement.

Fondement des diverses disciplines liées à la thématique de l'énergie, l'UE Thermodynamique et transfert de chaleur aborde les notions primordiales et indispensables pour accéder efficacement à d'autres Unités d'Enseignement telles que l'UE (1I08) Production d'énergie 1, l'UE (1I08bis) Production d'énergie 2, et l'UE (2G08) Production d'énergie alternative.

Les contenus de l'UE

La thermodynamique se situe à l'intersection de la physique et de la mécanique : elle a pour objet l'étude de la dynamique des systèmes thermomécaniques. Plus précisément, la thermodynamique est la science qui étudie un système au cours de son évolution sous l'angle de ses échanges mécaniques (travail) et thermiques (chaleur) avec le milieu extérieur. Les transferts de chaleur représentent quant à eux le transfert (spontané) d'énergie thermique d'un corps chaud vers un corps froid.

Destinée à un public d'étudiant.e.s peu familiarisé.e.s aux aspects thermiques, la première partie de l'enseignement débutera par un rappel des notions de thermométrie. Les différents modes de transferts thermiques (conduction, convection naturelle et forcée, rayonnement) seront ensuite exposés. Chaque mode s'accompagnera d'une description des mécanismes en jeu, ainsi que des méthodes de base permettant de le quantifier. Les modes combinés de transfert thermique ainsi que différents procédés industriels (ailettes de refroidissement, échangeurs dechaleur, caloducs) seront ensuite abordés. 

La seconde partie de l'enseignement sera quant à elle consacrée à le thermodynamique macroscopique des phénomènes réversibles. L'approche pédagogique sera progressive, axiomatique et appliquée. Après avoir introduit quelques notions de base (système, variable et état thermodynamiques, transformations, équilibre, cycle, travail et chaleur, enthalpie) les axiomes que constituent le premier et le second principe de la thermodynamique seront envisagés comme des postulats nous permettant d'aborder les notions d'entropie, d'irréversibilité, d'efficacité et de rendement. L'accent sera particulièrement mis sur les gaz parfaits.

Après avoir examiné le comportement des substances dites pures, la dernière partie du cours sera consacrée à l'étude d'applications industrielles. Les installations thermiques mettant enoeuvre un gaz parfait ou une vapeur (notamment un cycle à vapeur, un moteur à combustion interne ou une installation de cogénération) seront tout d'abord développées. Enfin, les installations frigorifiques (notamment les cycles à compression incluant les pompes à chaleur) seront abordées.

Ces contenus théoriques seront illustrés au travers de la résolution de cas pratiques.

Les acquis d'apprentissage visés par l'UE

Cette UE s'attache à fournir aux étudiant.e.s un socle de connaissances solides dans le domaine de la thermique (thermodynamique et transfert de chaleur). Elle vise également à le.la familiariser avec des applications thermiques fréquemment rencontrées dans le monde industriel. Au terme de cet enseignement, l'étudiant sera donc capable : 

• de comprendre les concepts élémentaires de la thermodynamique (système, variable et état, transformations, cycle, travail, chaleur, enthalpie, premier et deuxième principes, entropie, irréversibilité et rendements) ;
• d'appliquer ces concepts dans le cadre d'un bilan énergétique ;
• d'expliquer et d'identifier les modes principaux (et combinés) de transfert de chaleur (conduction, convection et rayonnement) ;
• de mettre en oeuvre une méthode de résolution efficace en vue de quantifier les transferts de chaleur pour des applications pratiques ;
• d'évaluer les conversions et la détérioration de l'énergie lors d'une transformation dans un système impliquant des échanges de chaleur et/ou du travail mécanique ;
• d'expliquer le fonctionnement d'installations thermiques motrices mettant en oeuvre un gaz parfait ou une vapeur, notamment un cycle à vapeur, un moteur à combustion interne ou une installation de cogénération ;
• d'expliquer le fonctionnement d'installations frigorifiques, notamment les cycles à compression incluant les pompes à chaleur ;
• de modéliser ces installations thermiques motrice et frigorifique en vue d'en calculer et d'en analyser les performances ;
• d'expliquer le fonctionnement de procédés industriels liés au transfert de chaleur ;
• de discuter les hypothèses de modélisation et les résultats de calculs.

Les méthodes d'enseignement-apprentissage

L'UE Thermodynamique et transfert de chaleur, à AA unique, comprend des séances ex cathedra (45 heures) dispensées en grand groupe. Le cours magistral est organisé selon le calendrier suivant :

1. Notions de thermométrie.
2. Propagation de la chaleur par conduction, convection et rayonnement.
3. Applications thermiques.
4. Concepts de base thermodynamique.
5. Premier principe de la thermodynamique.
6. Second principe de la thermodynamique.
7. Entropie.
8. Substances pures.
9. Cycles moteurs et applications.
10. Cycles frigorifiques et applications.

Outre à induire une passion pour la thermodynamique et les échanges thermiques chez l'étudiant.e, les séances ex cathedra sont consacrées à la description et à l'explication des concepts élémentaires théoriques et pratiques de ces disciplines. Ces séances sont aussi destinées à développer chez l'étudiant.e les différents nivaux d'abstraction requis afin d'analyser, de modéliser et de comparer des applications industrielles complexes. Ces séances sont également l'occasion de poser un regard critique sur les modèles utilisés. 

Certaines séances sont également consacrées à la résolution d'exercices destinés à illustrer, sous un angle pratique, les concepts théoriques envisagés précédemment. Lors de ces séances, l'échange (de solutions, de points de vue et de résolutions) entre les participant.e.s est encouragé.

Enfin, et en vue de leur résolution à domicile (devoirs complémentaires), des exercices supplémentaires sont proposés aux étudiants.e.s.

Engagement attendu de la part de l'étudiant.e

Lors des séances ex cathedra, l'implication de l'étudiant.e consistera en une écoute attentive et une prise de notes. Par ailleurs, il.elle sera encouragé.e à poser des questions chaque fois que cela est nécessaire. Nous lui conseillons d'oser mobiliser cette possibilité de questionnement. Dans cette UE, les concepts abordés sont complexes (car à la fois nouveaux et, pour certains, relativement abstraits) : il est donc conseillé de réaliser des synthèses personnelles au fur et à mesure des séances de cours. En outre, un travail très régulier est absolument nécessaire afin non seulement de mémoriser et comprendre la matière, mais aussi en vue de "faire les liens" entre les divers concepts abordés durant le cours. Enfin, dans cette UE, les concepts abordés sont à la fois théorique et pratique : il est donc conseillé de résoudre régulièrement les exercices, ceci afin d'effectuer les liens cognitifs entre les volets théorique et applicatif.

Examen écrit

Cette épreuve présente des modalités similaires pour toutes les sessions. Elle est organisée durant la session. Il s'agit d'un examen. Cette épreuve est individuelle. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation écrite. L'épreuve repose sur des réponses longues, réponses courtes, réponses choisies parmi des propositions, formulations personnelles. Elle se déroule à cours fermé. La correction de cette épreuve est assurée par validation d'un.e enseignant.e.