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Chapitre 5
cette forme pour déplacer des pièces mécaniques (piston dans un cylindre,
pales de turbine).
Sous forme liquide, le fluide a une densité très nettement supérieure. On
l’utilise souvent sous cette forme pour transférer de la chaleur (réchauffement ou refroidissement) car on peut utiliser des conduits de taille beaucoup
plus faible. Par exemple, un radiateur rempli d’air ou de vapeur devrait être
environ mille fois plus grand qu’un radiateur empli de liquide pour avoir la
même puissance.
Historiquement, l’eau a été utilisée dans les tout premiers moteurs de l’histoire pour ces raisons et parce que les variations de volume lors des changements de phase permettent un contrôle plus aisé des machines avec une
technologie faible. De nos jours, les liquides/vapeurs sont surtout utilisés
dans deux grands types d’applications :
Dans les centrales électriques où les liquides/vapeurs permettent un prélèvement de chaleur efficace depuis des sources externes (combustion
de déchets, réactions nucléaires, géothermie). On y utilise de l’eau,
liquide abondant même s’il doit être purifié pour éviter les dépôts
calcaires. Le chapitre 9 (cycles moteurs à vapeur) est tout entier dédié à
ces machines.
Dans les réfrigérateurs où les liquides/vapeurs permettent l’utilisation
de composants compacts, notamment les pompes. 1 On y utilise une
variété de fluides (dits alors « frigorigènes » même s’ils n’ont rien
d’extraordinaire) choisis en fonction de leur plage de propriétés, leur
coût, leur influence sur la couche d’ozone et leur contribution au
réchauffement climatique.
Nous nous concentrons ici sur l’eau, mais les phénomènes décrits et les
méthodes de calcul s’appliquent tout aussi bien aux autres liquides/vapeurs.
5.2 Description qualitative des propriétés
de l’eau
5.2.1 Les limites du gaz parfait
Au fur et à mesure que l’on ralentit et rapproche les molécules d’un gaz
les unes des autres, le modèle du gaz parfait décrit de plus en plus mal ses
propriétés. On observe un seuil en dessous duquel on observe la liquéfaction et l’ébullition, c’est-à-dire la coexistence des deux phases liquide et
gazeuse ; ce seuil est décrit en termes de température et de pression qui sont
dites critiques. Les températures et pressions critiques de quelques fluides
courants sont indiquées dans le tableau 5.1. Notons que l’air, mélange de
plusieurs gaz, verra différentes substances de sa composition se condenser à
différentes températures.
Lorsqu’on le maintient à une température et une pression nettement supérieures à ses valeurs critiques, un fluide se comporte comme un gaz parfait.
1 L’utilisation des liquides/vapeurs permet aussi de faire chuter la température
du fluide sans utiliser de pièce mobile (une simple soupape suffit), ce qu’un gaz
parfait ne permet pas (§4.3.2).
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen
Chapitre 5
cette forme pour déplacer des pièces mécaniques (piston dans un cylindre,
pales de turbine).
Sous forme liquide, le fluide a une densité très nettement supérieure. On
l’utilise souvent sous cette forme pour transférer de la chaleur (réchauffement ou refroidissement) car on peut utiliser des conduits de taille beaucoup
plus faible. Par exemple, un radiateur rempli d’air ou de vapeur devrait être
environ mille fois plus grand qu’un radiateur empli de liquide pour avoir la
même puissance.
Historiquement, l’eau a été utilisée dans les tout premiers moteurs de l’histoire pour ces raisons et parce que les variations de volume lors des changements de phase permettent un contrôle plus aisé des machines avec une
technologie faible. De nos jours, les liquides/vapeurs sont surtout utilisés
dans deux grands types d’applications :
Dans les centrales électriques où les liquides/vapeurs permettent un prélèvement de chaleur efficace depuis des sources externes (combustion
de déchets, réactions nucléaires, géothermie). On y utilise de l’eau,
liquide abondant même s’il doit être purifié pour éviter les dépôts
calcaires. Le chapitre 9 (cycles moteurs à vapeur) est tout entier dédié à
ces machines.
Dans les réfrigérateurs où les liquides/vapeurs permettent l’utilisation
de composants compacts, notamment les pompes. 1 On y utilise une
variété de fluides (dits alors « frigorigènes » même s’ils n’ont rien
d’extraordinaire) choisis en fonction de leur plage de propriétés, leur
coût, leur influence sur la couche d’ozone et leur contribution au
réchauffement climatique.
Nous nous concentrons ici sur l’eau, mais les phénomènes décrits et les
méthodes de calcul s’appliquent tout aussi bien aux autres liquides/vapeurs.
5.2 Description qualitative des propriétés
de l’eau
5.2.1 Les limites du gaz parfait
Au fur et à mesure que l’on ralentit et rapproche les molécules d’un gaz
les unes des autres, le modèle du gaz parfait décrit de plus en plus mal ses
propriétés. On observe un seuil en dessous duquel on observe la liquéfaction et l’ébullition, c’est-à-dire la coexistence des deux phases liquide et
gazeuse ; ce seuil est décrit en termes de température et de pression qui sont
dites critiques. Les températures et pressions critiques de quelques fluides
courants sont indiquées dans le tableau 5.1. Notons que l’air, mélange de
plusieurs gaz, verra différentes substances de sa composition se condenser à
différentes températures.
Lorsqu’on le maintient à une température et une pression nettement supérieures à ses valeurs critiques, un fluide se comporte comme un gaz parfait.
1 L’utilisation des liquides/vapeurs permet aussi de faire chuter la température
du fluide sans utiliser de pièce mobile (une simple soupape suffit), ce qu’un gaz
parfait ne permet pas (§4.3.2).
Thermodynamique de l’ingénieur par Olivier Cleynen