Thermodynamique.
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Plan du module
Les Bases de la Thermodynamique : les principes fondamentaux et leurs applications directes.
La thermodynamique : concepts de base et définitions
Introduction
Définition d'un système
Notion de système
Exercice : Système fermé ou ouvert ?
Description d'un système : variables d'état
Variables d'état
la température et la pression
Variables intensives et extensives
Fonctions d'état
Actions extérieures et intérieures
Notions d'actions
Exercice : Inventaire des forces
Transformation
Échanges d'énergie
Travail des forces
Exercice : Quelles sont les actions extérieures qui travaillent ?
Échanges de chaleur
Attention au langage !
Premier principe de la thermodynamique
Énoncé
Signification de l'énergie interne
Exercice : Rotation de la Terre autour du Soleil
Exercice : Ordinateur allumé
Réunion de plusieurs systèmes, énergie potentielle d'interaction
Échanges de chaleur
Transformation à volume constant
Transformation à pression constante
Capacités calorifiques
Exercice : Rendement énergétique d'une voiture.
Le premier principe pour les systèmes ouverts
Expression générale
Systèmes ouverts en régime permanent
Exercice : Application du premier principe : détendeur.
Conclusion
Second principe de la thermodynamique
Préambule
Équilibre thermodynamique
Exercice : Conditions d'équilibre
Réversibilité
Sources d'irréversibilité
Énoncé du second principe
Conséquences immédiates du second principe
Système thermiquement isolé
Exercice : Gaz parfait contenu dans un cylindre fermé par un piston mobile.
Échange de chaleur entre deux corps
Exercice : Bain tiède
Exercice : L'effet Peltier
Mais au fond, qu'est-ce que l'entropie ?
Second principe pour un système ouvert
Conclusion
Fonctions thermodynamiques
Introduction
Expression de l'équilibre d'un système
Énergie libre
Exercice : Énergie libre d'un fluide
Enthalpie libre
Exercice : Enthalpie libre d'un solide
Systèmes à composition variable : potentiel chimique
Applications
Équilibres entre phases
Exercice : Les potentiels chimiques au quotidien !
Équilibres chimiques
Exercice : Solution aqueuse d'acide chlorhydrique
Interprétation du potentiel chimique
Grandeurs molaires et grandeurs molaires partielles
Annexe : Relations utiles
Introduction
Relation de Gibbs-Duhem
Relation de Helmholtz
Une ménagerie de relations...
Exercice : Pour manipuler les relations...
Conclusion
Corps purs et changements de phases
Définitions
Corps purs et phases
Changements de phase
Diagrammes de phases
Préambule
Changement de phases liquide-vapeur et diagramme de Clapeyron
Comportement à pression constante
Exercice : Comportement à volume constant
Changement de phase liquide-solide
Changement de phase solide-solide
Modèles de représentation des corps purs et des équilibres entre phases
Le gaz parfait
Relation de Clapeyron
Exercice : Fusion de la glace par compression
Expression de la pression de saturation liquide-vapeur
L'état standard
Calcul approché de l'enthalpie d'un fluide pur
Exercice : Caractérisation d'un fluide à la sortie d'une vanne
Diagrammes de corps purs
Les principaux diagrammes thermodynamiques
Introduction
Le diagramme entropie-température
Le diagramme entropie-enthalpie (diagramme de Mollier)
Diagramme enthalpie-pression
Simulateur : diagrammes thermodynamiques de corps purs
Introduction
Exercice : Détente dans une vanne
Exercice : Détente dans une turbine
Exercice : Rendement isentropique d'un compresseur
De la Thermodynamique aux Procédés : concepts et simulations.
Les mélanges : définitions et formalismes
Notion de phase
Phase, corps pur, mélange
Composition d'une phase
Introduction
Définitions
Quelques conversions
Petit calculateur pour convertir des échelles de concentration
Potentiel chimique d'un constituant dans une phase
Concept de fugacité
Définition de la fugacité
Fugacité et état de référence
État standard
Fugacité et équilibres entre phases
Variation de la fugacité avec la pression
Calcul de la fugacité dans des cas simples
Les mélanges : mélange de gaz parfaits et air humide
Mélange de gaz parfaits
Application : l'air humide
Humidité
Humidité absolue, humidité relative
Exercice : Calcul pour un air humide
Température de rosée
Température de rosée
Exercice : Air humide et température de rosée
Enthalpie d'un air humide
Température de saturation adiabatique
Remarque : température humide
Diagramme de l'air humide
Calculateur des propriétés de l'air humide
Présentation du calculateur
Exercice : Déshumidification
Exercice : Mélange
Équilibres liquide-vapeur de mélanges binaires
Introduction
Équilibres liquide-vapeur de mélanges binaires : comportement expérimental
Diagramme d'équilibre isotherme
Exercice : Lecture d'une lentille d'équilibre
Diagramme d'équilibre isobare
Azéotropie
Solution idéale
Introduction
Définition
Équilibre liquide-vapeur d'une solution idéale
Fonctions d'état d'une solution idéale
Les écarts à l'idéalité
Enthalpie libre d'excès de mélanges binaires
Quelques propriétés générales
Quelques expressions simples de l'enthalpie libre d'excès
Équation de Margules à un paramètre
Exercice : Expression analytique du coefficient d'activité
Expressions empiriques à deux paramètres
SIMULATION : Ajustement de paramètres
Modèles de compositions locales
SIMULATION : Ajustement de paramètres sur des données d'équilibres liquide-vapeur binaires
Introduction
Exercice : Extrapolation en température
Exercice : Binaire à deux azéotropes
Exercice : Système fortement non-idéal
UNIQUAC
Contributions de groupes : équation UNIFAC
Test de l'équation UNIFAC
Introduction
Exercice : Comparaison d'UNIFAC et de NRTL
Conclusion
Interprétation des équilibres de phases de mélanges
Introduction
Les courbes d'enthalpie libre
Équation des courbes d'enthalpie libre
Construction géométrique du potentiel chimique
Interprétation des équilibres de phases
Exercice : Équilibres de phases et bilan matière
Mélange faiblement non-idéal
Azéotropie
Condition d'azéotropie
Exercice : Condition d'azéotropie : méthanol-eau
Non idéalité et azéotropie
Exercice : Azéotrope propanol-eau
Diagramme de phases d'un mélange azéotropique
Azéotrope positif et azéotrope négatif
Introduction
Exercice : Azéotrope positif et négatif
Azéotrope positif et azéotrope négatif : pour conclure
Immiscibilité liquide-liquide
Calculs d'équilibre et stabilité
Distillation continue
Introduction
Principe de la distillation
Schéma d'une distillation simple
Terminologie
Concept de sélectivité
Amplification de la séparation : relation de Fenske
Calcul d'une colonne simple
Dénombrement des degrés de liberté
Exercice : Bilan de matière
Plateaux adiabatiques : hypothèse de Lewis
Méthode de Mc Cabe et Thiele
Le problème
Courbe d'équilibre liquide-vapeur
La méthode de McCabe et Thiele
Droite opératoire de rectification
Droite opératoire d'épuisement
La construction graphique de McCabe et Thiele
Essayez vous-même
Variations autour de la construction de McCabe et Thiele
Taux de reflux et nombre d'étages
Exercice : Reflux minimum
Condenseur total ou partiel, consommation énergétique
Optimisation économique de la distillation
Exercice : Reflux optimum
Influence de la position de la charge
Azéotropie
Exercice : Azéotropie
Efficacité des plateaux
Exercice : Murphree
Influence de l'état de la charge
Exercice : État de la charge
Exercice : Effet de la pression
Influence de la représentation des équilibres entre phases sur le calcul d'une distillation
Introduction
Exercice : Conception d'une colonne en supposant que le liquide est une solution idéale
Exercice : Peut-on faire confiance à UNIFAC en toutes circonstances ?
Conclusion
Équilibres liquide-vapeur de mélanges multiconstituants
Introduction
Exemple d'un mélange ternaire
Exemple d'un mélange idéal
Diagrammes triangulaires
Équilibre liquide-vapeur d'un mélange ternaire idéal à T et P fixés
Prédiction des équilibres liquide-vapeur de systèmes multiconstituants
Démarche générale
Mise en pratique de la démarche
Exercice : Représentation du comportement d'un système ternaire
Diagrammes de phases de systèmes ternaires
Présentation du simulateur
Système ternaire idéal : méthanol (1) - éthanol (2) - propanol (3)
Système ternaire : acétone (1) - méthanol (2) - eau (3)
Système ternaire : méthanol (1) - propanol-2 (2) - eau (3)
Système ternaire : méthanol (1) - tétracholorométhane (2) - benzène (3)
Système ternaire : acétate de méthyle (1) - méthanol (2) - cyclohexane (3).
Système ternaire acétone (1) - chloroforme (2) - méthanol (3)
Exercice : Système ternaire acétone (1) - chloroforme (2) - benzène (3)
Les Équilibres Chimiques
Introduction
Réactions chimiques - Notion d'affinité
Écriture d'une réaction chimique
Caractérisation de l'équilibre chimique
Affinité d'une réaction
Loi d'action de masse
Énoncé de la loi d'action de masse
Exercice : Décomposition thermique de la vapeur d'eau
Formulations simplifiées de la loi d'action de masse
Les solides cristallisés
Réaction chimique avec des liquides : loi d'action de masse en activités
Autres formes possibles de la loi d'action de masse
Exercice : Estérification
Chaleur de réaction
Chaleur de réaction instantanée
Chaleur globale de réaction
Loi de Van't'Hoff et enthalpie standard de réaction
Chaleur effectivement absorbée par la réaction
Exercice : Chaleur de réaction
Lois de modération de l'équilibre
Introduction
Effet d'une modification de température
Effet d'une variation de pression
Loi de modération de l'équilibre
Exercice : Loi de Le Châtelier
Effet de la composition globale du système sur le déplacement de la réaction
Conclusion
Fluides sous haute pression
Représentation des propriétés des corps pur à partir d'une équation d'état
Introduction
Retour sur le comportement d'un fluide pur
Les états correspondants
Utilisation d'une équation d'état pour les deux phases
Principe général
Équation d'état analytique
Quelques équations d'état usuelles
Calcul effectif des propriétés des corps purs à partir d'une équation d'état
Les principaux diagrammes thermodynamiques
Introduction
Le diagramme entropie-température
Le diagramme entropie-enthalpie (diagramme de Mollier)
Diagramme enthalpie-pression
Simulateur : diagrammes thermodynamiques de corps purs
Introduction
Exercice : Détente dans une vanne - comparaison de modèles
Exercice : Détente dans une turbine - comparaison de modèles
Exercice : Calcul d'une pompe
Représentation des propriétés d'un mélange par une équation d'état
Équilibre liquide-vapeur d'un mélange à température et pression élevées
Équations d'état de mélanges
Calcul de la fugacité des constituants
Représentation des équilibres liquide-vapeur de mélanges au moyen de l'équation RKS
Introduction
Exercice : Test de l'équation RKS
Conclusion
Équilibres liquide-liquide de mélanges ternaires - Application à l'extraction liquide-liquide
Introduction
Équilibres liquide-liquide de mélanges ternaires
Un exemple de diagramme de phases
Analyse de variance
Influence de la température et de la pression sur les diagrammes
Différents types de diagrammes
Diagramme à point critique
Diagrammes ouverts
Équilibres à trois phases
Modélisation des équilibres liquide-liquide
Application à l'extraction liquide-liquide
Extraction à un seul étage
Exercice : Étage d'extraction
Extraction liquide-liquide multi-étagée à contre-courant
Introduction
Dénombrement des degrés de liberté
Bilans globaux sur la cascade de mélangeurs-décanteurs
Construction graphique d'une cascade de mélangeurs décanteurs
Construction de McCabe et Thiele
Essayez vous-même !
Introduction
Utilisation du simulateur
Exercice : Performance d'une extraction liquide-liquide
Effet du taux de solvant
Extraction liquide-liquide et distillation
Exercice : Composition de l'extrait et taux de solvant
Amélioration de la séparation : reflux d'extrait
Équilibres liquide-solide
Introduction
Calcul de l'enthalpie libre des phases
Introduction
Enthalpie libre des corps purs à l'état liquide et solide
Diagramme d'enthalpie libre
Interprétation de l'équilibre liquide-solide
Diagramme simple avec un eutectique
Exercice : Séparation par cristallisation
Expression de la solubilité
Exercice : Température de solidification de l'eau salée
Équilibre entre des solides cristallisés et une solution non-idéale
Faibles écarts à l'idéalité
Exercice : Fonte d'un glaçon
Exercice : Liquide antigel
Forts écarts à l'idéalité : démixtion liquide-liquide
Formation de composés définis
Introduction
Composé défini à fusion congruente
Fusion non congruente
Exercice : Salage des routes en hiver
Solutions solides
Introduction
Solides solubles en toutes proportions
Solides à miscibilité partielle : eutectique
Solides à miscibilité partielle : péritectique
Eutectoïde, péritectoïde
Diagrammes réels
Introduction
Exercice : Le diagramme Lithium - Aluminium
Exercice : Le diagramme Étain - Cuivre
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Crédits
Liste des exercices
Liste des simulations
Générique
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