Qu’est-ce que la thermodynamique – Définition

La thermodynamique est la science qui traite de la production, du stockage, du transfert et de la conversion de l’énergie. La thermodynamique étudie les effets du travail, de la chaleur et de l’énergie sur un système. Génie thermique

Thermodynamique

thermodynamique - équation de BoltzmanUne connaissance de la thermodynamique est essentielle pour les ingénieurs nucléaires , qui traitent des réacteurs nucléaires . Une centrale nucléaire (centrale nucléaire) ressemble à une centrale thermique standard à une exception près. La source de chaleur dans la centrale nucléaire est un réacteur nucléaire . Comme il est typique dans de nombreuses centrales thermiques conventionnelles, la chaleur est utilisée pour générer de la vapeur qui entraîne une turbine à vapeur connectée à un générateur qui produit de l’électricité.

La thermodynamique est la science qui traite de la production, du stockage, du transfert et de la conversion de l’énergie. Il étudie les effets du travail , de la chaleur et de l’ énergie sur un système. Bien qu’il s’agisse d’un sujet très vaste qui touche la plupart des domaines scientifiques, y compris la biologie et la microélectronique, nous nous intéresserons principalement aux observations à grande échelle. Les interactions à petite échelle seront décrites dans la théorie cinétique des gaz.Historiquement, la thermodynamique est née au 19ème siècle, alors que les scientifiques découvraient pour la première fois comment construire et utiliser des moteurs à vapeur . C’est notamment grâce aux travaux du physicien français Nicolas Léonard Sadi Carnot, qui introduisirent le concept de cycle de moteur thermique et le principe de réversibilité en 1824. Le physicien écossais Lord Kelvin fut le premier à formuler une définition concise de la thermodynamique en 1854. Les travaux de Carnot portèrent sur limitations de la quantité maximale de travail pouvant être obtenue avec une machine à vapeur fonctionnant avec un transfert de chaleur à haute température comme force motrice. Les années suivantes, les lois de la thermodynamique ont été développées. Thermodynamiqueest principalement basé sur un ensemble de quatre lois qui sont universellement valables lorsqu’ils sont appliqués aux systèmes qui relèvent des contraintes qu’implique chacun.

thermodynamique technique
Rankine Cycle – La thermodynamique en tant que science de la conversion d’énergie

La thermodynamique est à la fois une branche de la physique et une science de l’ingénieur . Le physicien cherche normalement à acquérir une compréhension fondamentale du comportement physique et chimique de quantités fixes de matière au repos et utilise les lois de la thermodynamique pour relier les propriétés de la matière. Les ingénieurs s’intéressent généralement à l’étude des systèmes énergétiques et de la manière dont ils interagissent avec leur environnement. Pour faciliter cela, les ingénieurs ont élargi le sujet de la thermodynamique à l’étude des systèmes ouverts , dans lesquels la chaleur, le travail et la masse peuvent être dirigés dans le volume de contrôle.

Notre objectif ici sera d’introduire la thermodynamique en tant que science de la conversion d’énergie , afin de présenter certains des concepts et définitions fondamentaux utilisés dans l’étude de la thermodynamique technique . Ces concepts et définitions fondamentaux seront ensuite appliqués aux systèmes énergétiques et enfin aux centrales thermiques ou  nucléaires .

Description de la centrale nucléaire
Principales caractéristiques des centrales nucléaires à réacteur de type PWR (réacteur à eau sous pression).

Une centrale nucléaire typique a une capacité de production électrique de 1000 MWe . La source de chaleur dans la centrale nucléaire est un réacteur nucléaire . Comme dans toutes les centrales thermiques classiques, la chaleur est utilisée pour générer de la vapeur qui entraîne une turbine à vapeur connectée à un générateur qui produit de l’électricité. Les turbines sont des moteurs thermiques et sont soumises aux limitations de rendement imposées par la deuxième loi de la thermodynamique . Dans les centrales nucléaires modernes, l’efficacité thermodynamique globale est d’environ un tiers (33%). Il faut donc 3000 MWth d’énergie thermique issue de la réaction de fission pour générer 1000 MWe. de puissance électrique.

Dans les sections suivantes , nous traiterons le problème, comment transformer l’énergie thermique générée à l’ intérieur du réacteur dans l’ énergie électrique d’une façon plus efficace .

Lois de la thermodynamique

Il existe quatre lois de la thermodynamique qui définissent les grandeurs physiques fondamentales (température, énergie et entropie) et qui caractérisent les systèmes thermodynamiques à l’ équilibre thermique . Celles-ci sont considérées comme l’une des lois les plus importantes de toute la physique. Les lois sont les suivantes:

Loi de Zeroth de la thermodynamique:

Si deux systèmes sont tous deux en équilibre thermique avec un troisième, alors ils sont en équilibre thermique l’un avec l’autre.  

Cette loi fournit une définition et une méthode de définition des températures, peut-être la propriété intensive la plus importante d’un système lorsqu’il s’agit de problèmes de conversion d’énergie thermique.

Première loi de la thermodynamique:

L’augmentation de l’énergie interne d’un système fermé est égale à la chaleur fournie au système moins le travail effectué par celui-ci.  

Cette loi est le principe de conservation de l’énergie . C’est la loi la plus importante pour l’analyse de la plupart des systèmes et celle qui quantifie la façon dont l’énergie thermique est transformée en d’autres formes d’énergie . Il s’ensuit que les machines à mouvement perpétuel du premier type sont impossibles.

Deuxième loi de la thermodynamique:

L’entropie de tout système isolé ne diminue jamais. Dans un processus thermodynamique naturel, la somme des entropies des systèmes thermodynamiques en interaction augmente.  

Cette loi indique l’ irréversibilité des processus naturels . Les processus réversibles sont une fiction théorique utile et pratique, mais ne se produisent pas dans la nature. De cette loi découle qu’il est impossible de construire un dispositif qui fonctionne sur un cycle et dont le seul effet est le transfert de chaleur d’un corps plus froid vers un corps plus chaud. Il s’ensuit que les machines à mouvement perpétuel du deuxième type sont impossibles.

Troisième loi de la thermodynamique:

L’entropie d’un système se rapproche d’une valeur constante lorsque la température approche du zéro absolu.

Basée sur des preuves empiriques, cette loi stipule que l’ entropie d’une substance cristalline pure est nulle au zéro absolu de la température , 0 K et qu’il est impossible, par quelque procédé que ce soit, idéalisé, de réduire la température d’un système au zéro absolu en un nombre fini d’étapes. Cela nous permet de définir un point zéro pour l’énergie thermique d’un corps.

Version populaire des lois de la thermodynamique

0. Vous devez jouer au jeu.

1. Vous ne pouvez pas gagner; vous pouvez seulement atteindre le seuil de rentabilité.

2. Vous ne pouvez atteindre le point d’équilibre qu’au zéro absolu.

3. Vous ne pouvez pas atteindre le zéro absolu.

Propriétés étendues – Propriétés intesives

  • Propriétés étendues – Propriétés intesives
  • Propriétés spécifiques

Qu’est-ce que l’énergie

Le soleil
Le Soleil génère son énergie par fusion nucléaire de noyaux d’hydrogène en hélium. En son cœur, le Soleil fusionne 620 millions de tonnes métriques d’hydrogène chaque seconde.
Source: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Le terme énergie est très très large et a plusieurs définitions. Techniquement, l’ énergie est une grandeur physique scalaire associée à l’état d’un ou plusieurs objets. L’énergie est généralement définie comme le potentiel de travail ou de production de chaleur . Parfois, c’est comme la «monnaie» pour effectuer un travail. Vous devez avoir de l’énergie pour accomplir votre travail. Pour faire 1 kilojoule de travail, vous devez dépenser 1 kilojoule d’énergie. Il faut ajouter, cette interprétation peut être trompeuse car l’énergie n’est pas forcément disponible pour faire le travail.

L’une des propriétés les plus merveilleuses de l’univers est que l’ énergie peut être transformée d’un type à un autre et transférée d’un objet à un autre. De plus, lorsqu’elle est transformée d’un type à un autre et transférée d’un objet à un autre, la quantité totale d’énergie est toujours la même . C’est l’une des propriétés élémentaires de l’univers.

Par exemple, brûler de l’essence pour alimenter des voitures est un processus de conversion d’énergie sur lequel nous comptons. L’ énergie chimique de l’ essence est convertie en énergie thermique , qui est ensuite convertie en énergie mécanique qui fait bouger la voiture. L’ énergie mécanique a été convertie en énergie cinétique . Lorsque nous utilisons les freins pour arrêter une voiture, cette énergie cinétique est convertie par friction en chaleur ou en énergie thermique .

Moteurs thermiques

Exemple de moteur thermique
Le cycle de Rankine décrit de près les processus des moteurs thermiques à vapeur que l’on trouve couramment dans la plupart des centrales thermiques.

Les sources d’énergie  ont toujours joué un rôle très important dans le développement de la société humaine. L’énergie  est généralement définie comme le  potentiel de  travail  ou de production de  chaleur . Parfois, c’est comme la «monnaie» pour effectuer un travail. L’une des propriétés les plus merveilleuses de l’univers est que l’  énergie peut être transformée d’un type à un autre  et  transférée d’un objet à un autre .

En général, il est facile de produire  de l’énergie thermique  en effectuant des travaux , par exemple par n’importe quel processus de friction. Mais  obtenir du travail à partir de l’énergie thermique  est plus  difficile . Elle est étroitement associée au  concept d’entropie . Par exemple, l’électricité est particulièrement utile car elle a  une entropie très  faible  (est fortement ordonnée) et peut être convertie en d’autres formes d’énergie  très efficacement .

Parfois,  l’énergie mécanique  est directement disponible, par exemple l’énergie éolienne et l’hydroélectricité. Mais la majeure partie de notre énergie provient de la combustion de  combustibles fossiles  (charbon, pétrole et gaz) et de  réactions nucléaires . À l’heure actuelle, les combustibles fossiles sont toujours la principale source d’énergie au monde. Mais la combustion de combustibles fossiles ne génère  que de l’énergie thermique , donc ces sources d’énergie sont appelées « sources d’énergie primaire », qui doivent  être converties  en  source d’énergie secondaire , appelées  vecteurs d’énergie  ( énergie électrique,  etc.). Pour convertir l’énergie thermique en une autre forme d’énergie, un  moteur thermique doit être utilisé.

En général, un  moteur thermique  est un appareil qui convertit l’énergie chimique en chaleur ou en énergie thermique, puis en énergie mécanique ou en énergie électrique.

Le cycle de Rankine décrit de près les processus des moteurs thermiques à vapeur que l’on trouve couramment dans la plupart des centrales thermiques.

De nombreux  moteurs thermiques  fonctionnent de manière cyclique, ajoutant de l’énergie sous forme de chaleur dans une partie du cycle et utilisant cette énergie pour effectuer un travail utile dans une autre partie du cycle.
Par exemple, comme c’est typique dans toutes les centrales thermiques conventionnelles  ,  la chaleur est utilisée pour générer de la  vapeur  qui entraîne une  turbine à vapeur  connectée à un générateur qui produit de l’électricité. Les générateurs de vapeur, les turbines à vapeur, les condenseurs et les pompes à eau d’alimentation constituent un  moteur thermique soumis aux limitations d’efficacité imposées par la  deuxième loi de la thermodynamique . Dans les centrales nucléaires modernes  ,  l’efficacité thermodynamique globale est d’environ un tiers  (33%), donc  3000 MWth  d’énergie thermique de la réaction de fission sont nécessaires pour générer  1000 MWe  d’énergie électrique.

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