Chapitre 5
147
À l’autre extrémité du conteneur, une pompe électrique
(seul autre élément mécanique de l’installation) récupère l’eau condensée à l’état de liquide saturé (1 bar) et
augmente à nouveau sa pression jusqu’à 90 bar pour alimenter la chaudière. On considère que lors du pompage,
le volume spécifique de l’eau varie de façon négligeable,
et que la compression est réversible.
2. Quelle puissance électrique est prélevée pour alimenter la pompe ?
5.9 Le baril écrasé
Pour effectuer une démonstration de physique, un
groupe d’étudiants porte de l’eau à ébullition, à pression
ambiante, dans un ancien baril de pétrole (contenance
208 L, hauteur 88 cm).
Le baril est retiré de la source de chaleur et fermé de
façon hermétique. Le but de l’opération est de pouvoir
observer le baril se faire écraser par l’atmosphère suite
au changement d’état de l’eau qu’il contient.
1. Quelle dépression peut-on générer à l’intérieur du
baril en le laissant se refroidir ?
2. Quelle serait alors la force verticale s’appliquant
sur la paroi supérieure du baril ?
Quelques questions plus difficiles :
3. Il reste 5 L de liquide au fond du baril à la fermeture du bouchon. Quel est le titre de la vapeur ?
4. Quelle masse de vapeur s’est condensée pendant
le refroidissement ?
5. Combien a-t-il fallu retirer de chaleur pour atteindre la dépression finale ?
5.10 Moteur Newcomen
À leur époque, autour de 1720, les moteurs Newcomen
(figure 5.23) étaient à la pointe de la technologie. On
insérait dans un grand cylindre (hauteur 1 m, diamètre
1,5 m) de la vapeur à peine surchauffée (1 bar, 250
◦ C).
Puis on refroidissait cette vapeur (en laissant entrer une
faible quantité d’eau liquide à pression et température
atmosphériques), en maintenant la pression interne
à 0,1 bar. Le piston redescendait ainsi en fournissant du
travail.
L’eau disponible pour alimenter le moteur est à 1 bar,
10
◦ C.
1. Tracez l’évolution suivie par l’eau sur un diagramme pression-volume ou température-volume,
en y indiquant la courbe de saturation.
2. Avant de pouvoir effectuer la descente, quelle
quantité de chaleur faut-il fournir pour remplir
le cylindre de vapeur ?
3. Quelle quantité de travail est dégagée par le moteur pendant la descente du piston ?
Indice : il faut tenir compte du travail effectué par
l’atmosphère sur la face extérieure du piston.
4. Quelle est ainsi l’efficacité du moteur, si l’on néglige les frottements et toutes les autres pertes de
chaleur ?
Figure 5.31 – L’ingénieux moteur atmosphérique de
Newcomen, premier véritable succès de la motorisation
vapeur.
Gravure C. L. Moll – Die gesammten Naturwissenschaften (1873,
domaine public)
5.11 Condenseur de centrale à
vapeur
Dans une centrale électrique de grande puissance, le
condenseur est en charge de récupérer l’eau à la sortie
des turbines et de lui retirer de l’énergie pour qu’elle
puisse retourner à l’état liquide et ainsi ré-intégrer le circuit pompes → chaudières → turbines. L’eau du circuit
(180 t h
−1 ) arrive à 0,5 bar avec un volume spécifique
de 3,1247 m
3 kg
−1 ; elle doit repartir à la même pression,
à l’état de liquide saturé.
Pour extraire de la chaleur à l’eau de la centrale, les
condenseurs utilisent un circuit d’eau secondaire provenant directement d’une rivière. On y prélève de l’eau
à 10
◦ C.
Pour réduire l’impact écologique de la centrale, on souhaite rejeter l’eau secondaire dans la rivière à une température égale ou inférieure à 35
◦ C.
1. Quel débit d’eau secondaire doit-on prélever en
rivière ?
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen
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À l’autre extrémité du conteneur, une pompe électrique
(seul autre élément mécanique de l’installation) récupère l’eau condensée à l’état de liquide saturé (1 bar) et
augmente à nouveau sa pression jusqu’à 90 bar pour alimenter la chaudière. On considère que lors du pompage,
le volume spécifique de l’eau varie de façon négligeable,
et que la compression est réversible.
2. Quelle puissance électrique est prélevée pour alimenter la pompe ?
5.9 Le baril écrasé
Pour effectuer une démonstration de physique, un
groupe d’étudiants porte de l’eau à ébullition, à pression
ambiante, dans un ancien baril de pétrole (contenance
208 L, hauteur 88 cm).
Le baril est retiré de la source de chaleur et fermé de
façon hermétique. Le but de l’opération est de pouvoir
observer le baril se faire écraser par l’atmosphère suite
au changement d’état de l’eau qu’il contient.
1. Quelle dépression peut-on générer à l’intérieur du
baril en le laissant se refroidir ?
2. Quelle serait alors la force verticale s’appliquant
sur la paroi supérieure du baril ?
Quelques questions plus difficiles :
3. Il reste 5 L de liquide au fond du baril à la fermeture du bouchon. Quel est le titre de la vapeur ?
4. Quelle masse de vapeur s’est condensée pendant
le refroidissement ?
5. Combien a-t-il fallu retirer de chaleur pour atteindre la dépression finale ?
5.10 Moteur Newcomen
À leur époque, autour de 1720, les moteurs Newcomen
(figure 5.23) étaient à la pointe de la technologie. On
insérait dans un grand cylindre (hauteur 1 m, diamètre
1,5 m) de la vapeur à peine surchauffée (1 bar, 250
◦ C).
Puis on refroidissait cette vapeur (en laissant entrer une
faible quantité d’eau liquide à pression et température
atmosphériques), en maintenant la pression interne
à 0,1 bar. Le piston redescendait ainsi en fournissant du
travail.
L’eau disponible pour alimenter le moteur est à 1 bar,
10
◦ C.
1. Tracez l’évolution suivie par l’eau sur un diagramme pression-volume ou température-volume,
en y indiquant la courbe de saturation.
2. Avant de pouvoir effectuer la descente, quelle
quantité de chaleur faut-il fournir pour remplir
le cylindre de vapeur ?
3. Quelle quantité de travail est dégagée par le moteur pendant la descente du piston ?
Indice : il faut tenir compte du travail effectué par
l’atmosphère sur la face extérieure du piston.
4. Quelle est ainsi l’efficacité du moteur, si l’on néglige les frottements et toutes les autres pertes de
chaleur ?
Figure 5.31 – L’ingénieux moteur atmosphérique de
Newcomen, premier véritable succès de la motorisation
vapeur.
Gravure C. L. Moll – Die gesammten Naturwissenschaften (1873,
domaine public)
5.11 Condenseur de centrale à
vapeur
Dans une centrale électrique de grande puissance, le
condenseur est en charge de récupérer l’eau à la sortie
des turbines et de lui retirer de l’énergie pour qu’elle
puisse retourner à l’état liquide et ainsi ré-intégrer le circuit pompes → chaudières → turbines. L’eau du circuit
(180 t h
−1 ) arrive à 0,5 bar avec un volume spécifique
de 3,1247 m
3 kg
−1 ; elle doit repartir à la même pression,
à l’état de liquide saturé.
Pour extraire de la chaleur à l’eau de la centrale, les
condenseurs utilisent un circuit d’eau secondaire provenant directement d’une rivière. On y prélève de l’eau
à 10
◦ C.
Pour réduire l’impact écologique de la centrale, on souhaite rejeter l’eau secondaire dans la rivière à une température égale ou inférieure à 35
◦ C.
1. Quel débit d’eau secondaire doit-on prélever en
rivière ?
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen