Qu’est-ce que la propriété thermodynamique? Définition

Propriétés thermodynamiques

En thermodynamique, une propriété physique est toute propriété mesurable, et dont la valeur décrit un état d’un système physique. Notre objectif ici sera d’introduire des propriétés thermodynamiques, qui sont utilisées en génie thermodynamique . Ces propriétés seront ensuite appliquées aux systèmes énergétiques et enfin aux centrales thermiques ou  nucléaires .

En général, les propriétés thermodynamiques peuvent être divisées en deux classes générales:

• De nombreuses propriétés : Une grande propriété dépend de la quantité de masse présente ou sur la taille ou l’ étendue d’un système . Par exemple, les propriétés suivantes sont étendues:
  • Enthalpie
  • Entropie
  • Gibbs Free Energy
  • Capacité thermique
  • Énergie interne
  • Masse
  • Le volume

• Propriété intensive : Une propriété intensive est indépendante de la quantité de masse et peut varier d’endroit àintérieur du système à tout moment. Par exemple, les propriétés suivantes sont étendues:
  • Compressibilité
  • Densité
  • Enthalpie spécifique
  • Entropie spécifique
  • La capacité thermique spécifique
  • Pression
  • Température
  • Conductivité thermique
  • Dilatation thermique
  • Qualité de vapeur
  • Volume spécifique

Propriétés spécifiques

Les propriétés spécifiques de matériaux sont issus d’autres propriétés intensives et extensives de ce matériel. Par exemple, la densité de l’eau est une propriété intensive et peut être dérivée de mesures de la masse d’un volume d’eau (une propriété étendue) divisée par le volume (une autre propriété étendue). De même, la capacité thermique , qui est une propriété étendue d’un système, peut être dérivée de la capacité thermique , de C _p et de la masse du système. La division de ces propriétés étendues donne la capacité thermique spécifique , c _p , qui est une propriété intensive .

Les propriétés spécifiques sont souvent utilisées dans les tableaux de référence comme moyen d’enregistrer les données des matériaux d’une manière indépendante de la taille ou de la masse. Ils sont très utiles pour faire des comparaisons sur un attribut tout en annulant l’effet des variations d’un autre attribut.

Masse vs poids

L’une des forces les plus connues est le poids d’un corps, qui est la force gravitationnelle que la terre exerce sur le corps. En général, la gravitation est un phénomène naturel par lequel toutes les choses de masse sont rapprochées. Les termes masse et poids sont souvent confondus, mais il est important de les distinguer . Il est absolument essentiel de bien comprendre les distinctions entre ces deux grandeurs physiques.

Quel est le volume

Le volume est une quantité physique de base . Le volume est une quantité dérivée et il exprime l’ étendue tridimensionnelle d’un objet . Le volume est souvent quantifié numériquement en utilisant l’unité dérivée du SI, le mètre cube . Par exemple, le volume à l’intérieur d’une sphère (c’est-à-dire le volume d’une balle) est dérivé pour être V = 4 / 3πr ³ , où r est le rayon de la sphère. Comme autre exemple, le volume d’un cube est égal à côté fois côté temps côté. Étant donné que chaque côté d’un carré est le même, il peut simplement être la longueur d’un côté en cubes .

Si un carré a un côté de 3 mètres, le volume serait de 3 mètres fois 3 mètres fois 3 mètres, soit 27 mètres cubes.

Voir aussi: Volume de liquide de refroidissement dans le système de refroidissement du réacteur

Quelle est la densité

La densité est définie comme la masse par unité de volume . C’est une propriété intensive , qui est mathématiquement définie comme la masse divisée par le volume:

ρ = m / V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube ( kg / m ³ ). L’unité standard anglaise est la masse en livres par pied cube ( lbm / ft ³ ). La densité (ρ) d’une substance est l’inverse de son volume spécifique (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ρ

Le volume spécifique est une variable intensive , tandis que le volume est une variable extensive. L’unité standard pour un volume spécifique dans le système SI est le mètre cube par kilogramme (m ³ / kg). L’unité standard dans le système anglais est la masse en pieds cubes par livre (pi ³ / lbm).

Densité de matière nucléaire

La densité nucléaire est la densité du noyau d’un atome. C’est le rapport de la masse par unité de volume à l’intérieur du noyau. Étant donné que le noyau atomique porte la majeure partie de la masse de l’atome et que le noyau atomique est très petit par rapport à l’atome entier, la densité nucléaire est très élevée.

La densité nucléaire d’un noyau typique peut être approximativement calculée à partir de la taille du noyau et de sa masse. Les rayons nucléaires typiques sont de l’ordre de 10 à ¹⁴ m . En supposant une forme sphérique, les rayons nucléaires peuvent être calculés selon la formule suivante:

r = r ₀ . A ^1/3

où r ₀ = 1,2 x ^10-15 m = 1,2 fm

Par exemple, l’uranium naturel se compose principalement de l’isotope ²³⁸ U (99,28%), donc la masse atomique de l’uranium est proche de la masse atomique de l’ isotope ²³⁸ U (238.03u). Son rayon de ce noyau sera:

r = r ₀ . A ^1/3 = 7,44 fm.

En supposant qu’il soit sphérique, son volume sera:

V = 4πr ³ /3 = 1,73 x 10 ^-42 m ³ .

La définition habituelle de la densité nucléaire donne pour sa densité:

ρ _noyau = m / V = ​​238 x 1,66 x 10 ^-27 / (1,73 x 10 ^-42 ) = 2,3 x 10 ¹⁷ kg / m ³ .

Ainsi, la densité des matières nucléaires est plus de 2,10 ¹⁴ fois supérieure à celle de l’eau. C’est une immense densité. Le terme descriptif densité nucléaire est également appliqué aux situations où des densités similaires se produisent, comme dans les étoiles à neutrons. De telles densités immenses se retrouvent également dans les étoiles à neutrons.

Quelle est la pression

La pression est une mesure de la force exercée par unité de surface sur les limites d’une substance. L’unité standard de pression dans le système SI est le Newton par mètre carré ou pascal (Pa) . Mathématiquement:

p = F / A

où

• p est la pression
• F est la force normale
• A est l’aire de la frontière

Pascal est défini comme la force de 1N qui s’exerce sur la surface unitaire.

• 1 Pascal = 1 N / m ²

Échelles de pression – Unités de pression

Pascal – Unité de pression

Comme nous l’avons vu, l’ unité SI de pression et de contrainte est le pascal .

• 1 pascal 1 N / m ² = 1 kg / (ms ² )

Pascal est défini comme un newton par mètre carré. Cependant, pour la plupart des problèmes d’ingénierie, il s’agit d’une unité assez petite, il est donc pratique de travailler avec des multiples du pascal: le kPa , la barre et le MPa .

• 1 MPa 10 ⁶ N / m ²
• 1 bar 10 ⁵ N / m ²
• 1 kPa 10 ³ N / m ²

L’unité de mesure appelée atmosphère standard ( atm ) est définie comme:

• 1 atm = 101,33 kPa

L’atmosphère standard se rapproche de la pression moyenne au niveau de la mer à 45 ° de latitude N. Notez qu’il y a une différence entre l’ atmosphère standard (atm) et l’ atmosphère technique (at).

Une atmosphère technique est une unité de pression non SI égale à un kilogramme de force par centimètre carré.

• 1 à = 98,67 kPa

Voir aussi: Livre par pouce carré – psi

Voir aussi: Bar – Unité de pression

Voir aussi: Pressions typiques en ingénierie

Pression absolue vs pression manométrique

La pression décrite ci-dessus est appelée pression absolue . Souvent , il est important de faire la distinction entre pression absolue et la pression de la jauge . Dans cet article, le terme pression fait référence à la pression absolue, sauf indication contraire explicite. Mais en ingénierie, nous avons souvent affaire à des pressions, qui sont mesurées par certains appareils. Bien que les pressions absolues doivent être utilisées dans les relations thermodynamiques, les appareils de mesure de pression indiquent souvent la différence entre la pression absolue dans un système et la pression absolue de l’atmosphère existant à l’extérieur de l’appareil de mesure. Ils mesurent la pression manométrique .

• Pression absolue. Lorsque la pression est mesurée par rapport à un vide parfait, elle est appelée pression absolue (psia). Les livres par pouce carré absolu (psia) sont utilisées pour indiquer clairement que la pression est relative à un vide plutôt qu’à la pression atmosphérique ambiante. Étant donné que la pression atmosphérique au niveau de la mer est d’environ 101,3 kPa (14,7 psi), cela s’ajoutera à toute lecture de pression effectuée dans l’air au niveau de la mer.
• Pression manométrique. Lorsque la pression est mesurée par rapport à la pression atmosphérique (14,7 psi), elle est appelée pression manométrique (psig). Le terme pression relative est appliqué lorsque la pression dans le système est supérieure à la pression atmosphérique locale, p _atm . Cette dernière échelle de pression a été développée car presque tous les manomètres enregistrent zéro lorsqu’ils sont ouverts sur l’atmosphère. Les pressions manométriques sont positives si elles sont supérieures à la pression atmosphérique et négatives si elles sont inférieures à la pression atmosphérique.

_jauge p = p _absolu – p _{absolu; au m}

• Pression atmosphérique. La pression atmosphérique est la pression dans l’air ambiant à la surface de la Terre – ou «près» de celle-ci. La pression atmosphérique varie avec la température et l’altitude au-dessus du niveau de la mer. La pression atmosphérique standard se rapproche de la pression moyenne au niveau de la mer à 45 ° de latitude nord. La pression atmosphérique standard est définie au niveau de la mer à 273 ^o K (0 ^o C) et est:
  • 101325 Pa
  • 1.01325 bar
  • 14,696 psi
  • 760 mmHg
  • 760 torr
• Pression manométrique négative – Pression de vide. Lorsque la pression atmosphérique locale est supérieure à la pression dans le système, le terme pression de vide est utilisé. Un vide parfait correspondrait à une pression nulle absolue. Il est certes possible d’avoir une pression manométrique négative, mais pas possible d’avoir une pression absolue négative. Par exemple, une pression absolue de 80 kPa peut être décrite comme une pression manométrique de -21 kPa (c’est-à-dire 21 kPa en dessous d’une pression atmosphérique de 101 kPa).

p _vide = p _absolu; atm – p _absolu

Par exemple, un pneu de voiture pompé jusqu’à 2,5 atm (36,75 psig) au-dessus de la pression atmosphérique locale (disons 1 atm ou 14,7 psia localement), aura une pression absolue de 2,5 + 1 = 3,5 atm (36,75 + 14,7 = 51,45 psia ou 36,75 psig).

En revanche, les turbines à vapeur à condensation  (dans les centrales nucléaires ) évacuent la vapeur à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (par exemple à 0,08 bar ou 8 kPa ou 1,16 psia) et dans un état partiellement condensé. En unités relatives, il s’agit d’une pression manométrique négative d’environ – 0,92 bar, – 92 kPa ou – 13,54 psig.

Pressions typiques en ingénierie – Exemples

Le pascal (Pa) en tant qu’unité de mesure de pression est largement utilisé dans le monde et a largement remplacé l’ unité de livres par pouce carré (psi) , sauf dans certains pays qui utilisent encore le système de mesure impérial, y compris les États-Unis. Pour la plupart des problèmes d’ingénierie, le pascal (Pa) est une unité assez petite, il est donc pratique de travailler avec des multiples du pascal: le kPa, le MPa ou la barre. La liste suivante résume quelques exemples:

• La plupart des centrales nucléaires exploitent généralement des turbines à vapeur à condensation à plusieurs étages . Ces turbines rejettent de la vapeur à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (par exemple à 0,08 bar ou 8 kPa ou 1,16 psia) et dans un état partiellement condensé. En unités relatives, il s’agit d’une pression manométrique négative d’environ – 0,92 bar, – 92 kPa ou – 13,54 psig.
• La pression atmosphérique standard se rapproche de la pression moyenne au niveau de la mer à 45 ° de latitude nord. La pression atmosphérique standard est définie au niveau de la mer à 273 ^o K (0 ^o C) et est:
  • 101325 Pa
  • 1.01325 bar
  • 14,696 psi
  • 760 mmHg
  • 760 torr
• La surpression des pneus de voiture est d’environ 2,5 bars, 0,25 MPa ou 36 psig.
• Chaudière à tube de fumée de locomotive à vapeur: 150–250 psig
• Un étage haute pression de turbine à vapeur à condensation dans une centrale nucléaire fonctionne à l’état d’équilibre avec des conditions d’entrée de 6 MPa (60 bar ou 870 psig), t = 275,6 ° C, x = 1
• Un réacteur à eau bouillante est refroidi et modéré par de l’eau comme un REP, mais à une pression inférieure (par exemple 7 MPa, 70 bars ou 1015 psig), ce qui permet à l’eau de bouillir à l’intérieur du récipient sous pression, produisant la vapeur qui fait fonctionner les turbines.
• Les réacteurs à eau sous pression sont refroidis et modérés par de l’eau liquide à haute pression (par exemple 16 MPa, 160 bars ou 2320 psig). À cette pression, l’eau bout à environ 350 ° C (662 ° F), ce qui fournit une marge de sous-refroidissement d’environ 25 ° C.
• Le réacteur à eau supercritique (SCWR) fonctionne à pression supercritique . Le terme supercritique dans ce contexte se réfère au point critique thermodynamique de l’eau (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa)
• Injection directe de carburant à rampe commune: sur les moteurs diesel, elle est dotée d’une rampe d’alimentation haute pression (supérieure à 1 000 bar ou 100 MPa ou 14500 psi).

Quelle est la température

En physique et dans la vie quotidienne, la température est une mesure comparative objective du chaud ou du froid basée sur notre sens du toucher. Un corps qui a chaud a généralement une température plus élevée qu’un corps similaire qui a froid. Mais cette définition n’est pas simple. Par exemple, une tige en métal semble plus froide qu’une tige en plastique à température ambiante simplement parce que les métaux sont généralement meilleurs pour évacuer la chaleur de la peau que les plastiques. La chaleur peut simplement être représentée de manière abstraite et il est donc nécessaire d’avoir une manière objective de mesurer la température. C’est l’une des propriétés thermodynamiques de base.

Équilibre thermique

Un concept particulièrement important est l’équilibre thermodynamique . En général, lorsque deux objets sont mis en contact thermique , la chaleur circule entre eux jusqu’à ce qu’ils s’équilibrent . Lorsqu’il existe une différence de température , la chaleur circule spontanément du système le plus chaud vers le système le plus froid . Le transfert de chaleur se produit par conduction ou par rayonnement thermique . Lorsque le flux de chaleur s’arrête , on dit qu’ils sont à la même température . On dit alors qu’ils sont en équilibre thermique .

Par exemple, vous laissez un thermomètre dans une tasse de café. Lorsque les deux objets interagissent, le thermomètre devient plus chaud et le café se refroidit un peu jusqu’à ce qu’ils atteignent l’équilibre thermique . Deux objets sont définis comme étant en équilibre thermique si, lorsqu’ils sont mis en contact thermique, aucune énergie nette ne circule de l’un à l’autre et que leurs températures ne changent pas . Nous pouvons postuler:

Lorsque les deux objets sont en équilibre thermique, leurs températures sont égales.

C’est le sujet d’une loi qui s’appelle la «loi zéro de la thermodynamique».

La température est une caractéristique très importante de la matière. De nombreuses propriétés de la matière changent avec la température . La longueur d’une tige métallique, la pression de vapeur dans une chaudière, la capacité d’un fil à conduire un courant électrique et la couleur d’un objet incandescent très chaud. Tout cela dépend de la température .Par exemple, la plupart des matériaux se dilatent lorsque leur température augmente. Cette propriété est très importante dans toute la science et l’ingénierie, même en génie nucléaire . L’ efficacité thermodynamique des centrales électriques change avec la température de la vapeur d’entrée ou même avec la température extérieure. À des températures plus élevées, les solides tels que l’acier brillent en orange ou même en blanc selon la température. La lumière blanche d’une ampoule à incandescence ordinaire provient d’un fil de tungstène extrêmement chaud. On peut voir que la température est l’une des caractéristiques fondamentales qui décrit la matière et influence le comportement de la matière.

Échelles de température

Lorsque vous utilisez un thermomètre, nous devons marquer une échelle sur la paroi du tube avec des chiffres dessus. Nous devons définir une échelle de température . Une échelle de température est un moyen de mesurer la température par rapport à un point de départ (0 ou zéro) et une unité de mesure .

Ces chiffres sont arbitraires et, historiquement, de nombreux schémas différents ont été utilisés. Par exemple, cela a été fait en définissant certaines occurrences physiques à des températures données – telles que les points de congélation et d’ ébullition de l’eau  – et en les définissant respectivement comme 0 et 100.

Il existe plusieurs échelles et unités pour mesurer la température. Les plus courants sont:

• Celsius (noté ° C),
• Fahrenheit (noté ° F),
• Kelvin (noté K; surtout en science).