B215 THERMODYNAMIQUE

Les finalités 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. Fondement des diverses disciplines liées à la thématique de l'énergie, l'Unité d'Enseignement (UE) Thermodynamique aborde les notions primordiales et indispensables pour accéder efficacement à d'autres UE telles que l'UE (B311) Transfert de chaleur, l'UE (1I08) Production d'énergie 1, l'UE (1I08bis) Production d'énergie 2, et l'UE (2G08) Production d'énergie alternative.

Dans cette UE, nous aborderons la thermodynamique sous un angle relativement pragmatique : à 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.

Les contenus de l'UE

Les premières fondations théoriques sur lesquelles repose la thermodynamique datent du 19ème siècle. Elle s'apparente donc à une science "relativement" jeune. Elle est également une science en perpétuelle évolution, reformulée et alimentée par la découverte de nouveaux concepts issus de domaines connexes (théorie quantique, physique statistique, mécanique des milieux continus, ...). Par conséquent, lorsqu'on aborde la thermodynamique pour la première fois, ses multiples amendements provoquent parfois une certaine confusion. Nous disperserons cette dernière au moyen d'une approche homogène des concepts fondamentaux.

L'enseignement de la thermodynamique repose sur un parti pris. Destiné à un public d'étudiant.e.s du 1er cycle en sciences de l'ingénieur industriel, cette activité d'apprentissage présente les bases unifiées de la thermodynamique macroscopique des phénomènes réversibles. L'approche retenue est par ailleurs progressive, axiomatique et appliquée. La première partie du cours débutera par l'introduction des notions de base (système, variable et état thermodynamiques, transformations, équilibre, cycle, travail et chaleur, enthalpie). Ensuite, 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. Cette première partie du cours se terminera par l'étude des substances pures. La seconde partie du cours sera quant à elle consacrée à l'étude d'applications industrielles. Les installations thermiques mettant en oeuvre 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 systématiquement appliqués à des cas pratiques lors des séances d'exercices.

Les acquis d'apprentissage visés par l'UE

Au terme de cet enseignement, l'étudiant.e sera capable : 

• de comprendre les concepts élémentaires de la thermodynamique (système, variable d'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'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 fonctionment 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 les performances ; 
• de discuter les hypothèses de modélisation et les résultats de calculs.

Les méthodes d'enseignement-apprentissage

L'UE Thermodynamique, à AA unique, comprend des séances ex cathedra (28 heures) et des séances de travaux dirigés (28 heures) réparties sur les deux quadrimestres. Le cours magistral est organisé selon le calendrier suivant :

1. Concepts de base : variables et états d'une substance, système thermodynamique, transformations et cycles, travail et chaleur.
2. Le premier principe de la thermodynamique : transformations fermée et ouverte d'un système fermé, énergie interne, enthalpie, chaleurs massiques, aperçu des systèmes ouverts.
3. Le second principe de la thermodynamique : efficacité des machines thermiques, énoncés de Clausius et de Kelvin-Planck, transformations réversibles, sources d'irréversibilités, cycle de Carnot, cas des gaz parfaits, le second principe pour les systèmes ouverts.
4. Entropie : inégalité de Clausius, variations d'entropie au cours de transformations réversibles, relations de Gibbs, transformations ouvertes irréversibles de systèmes fermés, principe de l'accroissement de l'entropie, transformations isentropiques et polytropiques d'un gaz parfait, rendements des transformations adiabatiques.
5. Substances pures : équilibre de phases, liquide et vapeur saturées, vapeur surchauffée, titre en vapeur, tables thermodynamiques des variables, diagrammes de Stodola (température-entropie) et de Mollier (enthalpie-entropie).
6. Cycles moteurs : Rankine, Rankine-Hirn, Joule, Brayton, Ericsson, Otto, Diesel.
7. Aperçu des turbo-réacteurs et des moteurs à pistons : turbo-réacteurs simple et double flux, turbo-fan, turbo-propulseur, moteur à hélices.
8. Cycles frigorifiques : pompe à chaleur, cycle à compression de vapeur, cycle à air.

Outre à induire une passion pour la thermodynamique chez l'étudiant.e, les séances ex cathedra sont consacrées à la description et à l'explication des concepts élémentaires théoriques et pratiques de cette discipline. 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 thermodynamiques complexes. Ces séances sont également l'occasion de poser un regard critique sur les modèles utilisés.

Les séances de travaux dirigés suivent une structure similaire à celle du cours magistral. Elles sont constituées d'exercices destinés à illustrer, sous un angle pratique, les concepts théoriques envisagés précédemment. Elles sont organisées par groupe. Après un bref rappel théorique, l'encadrant pédagogique en charge de la séance présente la résolution d'un exercice-type ; ensuite, chaque étudiant.e résout "par lui-même" différents exercices proposés. Durant toute la séance, l'encadrant pédagogique se tient à la disposition de l'étudiant.e afin de le "guider" dans sa résolution, et lui donner également un feedback relatif à l'évolution de son apprentissage.

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, dans la première partie du cours, relativement abstraits) : il est donc conseillé de réaliser des synthèses personnelles au fur et à mesure des séances de cours. En outre, un travail 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 (janvier)

Cette épreuve présente des modalités spécifiques à la 1re session. 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.

Interrogation (second quadrimestre)

Cette épreuve présente des modalités spécifiques à la 1re session. Elle est organisée avant 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.

Examen oral (juin)

Cette épreuve présente des modalités spécifiques à la 1re session. Elle est organisée durant la session. Il s'agit d'un examen. Cette épreuve est individuelle. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation orale. 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 délibération d'une équipe d’enseignant.es.

Examen écrit (seconde session)

Cette épreuve présente des modalités spécifiques à la seconde session. 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.

Examen oral (seconde session)

Cette épreuve présente des modalités spécifiques à la seconde session. Elle est organisée durant la session. Il s'agit d'un examen. Cette épreuve est individuelle. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation orale. 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 délibération d'une équipe d’enseignant.es.