Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Présentation générale de la seconde partie

Introduction

La seconde partie de ce guide est consacrée à la présentation d'une série d'activités pédagogiques d'initiation à la thermodynamique appliquée pouvant être réalisées en utilisant ces ressources, l'objectif étant l'acquisition par l'élève des concepts et des outils. Il s'agit principalement de petits scénarios à l'attention des enseignants, les diverses activités portant sur les exemples de base (centrales électriques à vapeur, turbines à gaz, réfrigérateur domestique), avec illustration des tracés des cycles dans les diagrammes thermodynamiques.

Ces activités seront situées dans la typologie des cinq principaux scénarios identifiés par Competice.

Les exemples de base qui sont traités ici correspondent à des systèmes énergétiques simples, mettant en jeu un petit nombre de composants dont il importe de commencer par bien comprendre d'une part le fonctionnement sur le plan phénoménologique, et d'autre part la modélisation au sens du premier principe, ce qui sera effectué dans la première section.

La prise en main du simulateur Thermoptim par les élèves se fait généralement sans aucune difficulté, mais elle est facilitée s'ils commencent par étudier la séance Diapason S07_init , qui introduit les concepts mis en œuvre dans le progiciel, ou si l'enseignant leur fait lui-même cette présentation.

Pré-requis pour les élèves en formation initiale

Comme pour tout enseignement, la question des pré-requis est essentielle, en ce sens qu'elle permet de distinguer les connaissances nouvelles que les apprenants doivent acquérir de celles qu'ils sont supposés maîtriser au début de leur formation.

Compte tenu de la mission d'UNIT, la population d'élèves à laquelle s'adressent en premier lieu nos ressources est celle des universités et des écoles d'ingénieur, dont la formation repose essentiellement sur un classique découpage disciplinaire des sciences, même si nos méthodes pédagogiques sont novatrices.

Dans ce contexte, un enseignement de thermodynamique appliquée ou d'énergétique s'adresse à des élèves qui ont déjà suivi des cours de base de thermodynamique et sont donc supposés connaître les notions élémentaires de la discipline, notamment les deux premiers principes, les propriétés des fluides et les trois diagrammes (P, v), (T, s) et (h, ln(P)). Le chapitre 2 du premier tome du livre Systèmes Energétiques [1] présente ces notions.

C'est pourquoi, sauf indication contraire, nous considérons dans ce guide d'usage que les élèves doivent commencer par effectuer un certain nombre de ce qui constitue pour eux des rappels des bases de thermodynamique, et en particulier des propriétés des fluides, qui doivent être connues avant de pouvoir étudier les systèmes énergétiques. Trois séances Diapason ( S02 , S03 et S04a ) et les fiches thématiques de la rubrique Bases de thermodynamique permettent d'effectuer ces rappels et de présenter les diagrammes entropique (T, s) et des frigoristes (h, ln(P)), qui sont les plus utilisés en pratique.

Ensuite, il est souhaitable de présenter aux élèves un certain nombre de généralités sur les cycles, ce que permet de faire la séance Diapason S09 : notion de cycle moteur, récepteur, énergie payante, utile, rendement de cycle....

Pré-requis pour les élèves en formation professionnelle

Il existe cependant d'autres populations d'élèves que ceux des universités et des écoles d'ingénieur qui peuvent tirer un grand parti de nos ressources, mais qui ne disposent pas des mêmes pré-requis, ou qui les ont oubliés car ils ont terminé leurs études depuis longtemps. Il s'agit notamment des apprenants en formation professionnelle dont l'objectif est d'acquérir des compétences opérationnelles pour exercer leur métier, et pour qui une approche disciplinaire va beaucoup moins de soi.

Pour ces apprenants, l'objectif est avant tout d'acquérir une compréhension qualitative et phénoménologique du fonctionnement des technologies qu'ils auront à conduire, et le savoir théorique doit être aussi réduit que possible.

Certaines notions comme l'entropie ne font pas nécessairement partie de leur bagage conceptuel, et certains d'entre eux ne disposent que d'un niveau mathématique relativement bas, notamment ceux qui se destinent à un métier de technicien d'exploitation.

Sur la base de réflexions approfondies menées en partenariat avec la Marine Nationale et Electrabel, nous avons défini une présentation allégée des cycles thermodynamiques élémentaires qui est présentée dans la cinquième partie de ce guide. Elle propose une introduction très graduelle des notions essentielles, qui permet ensuite d'utiliser nos ressources dans un contexte professionalisant.

Démarches d'analyse des exemples de base

Pour étudier les exemples de base, deux grandes manières d'opérer peuvent être retenues :

  • calculer pas à pas les évolutions subies par le fluide dans chaque composant, en décomposant les différentes étapes suivies, ceci grâce au calculateur inverseur ou directement à partir des écrans des points de Thermoptim ;

  • effectuer directement ces calculs à partir des transfos de Thermoptim.

La première approche correspond au parti-pris pédagogique d'un enseignant qui souhaite que ses élèves commencent par bien comprendre les lois thermodynamiques qui gouvernent le fonctionnement des divers composants, alors que dans la seconde l'enseignant privilégie un raisonnement systémique où l'accent est mis sur les couplages entre composants, ceux-ci se comportant comme des boîtes noires.

Un enseignant désirant intéresser rapidement ses élèves aux architectures des différents systèmes énergétiques pourra commencer par une description très sommaire du comportement interne des composants, quitte à approfondir cette question dans un deuxième temps, lorsque ses élèves auront maîtrisé la construction des cycles élémentaires et que leur motivation pour s'investir en thermodynamique sera renforcée par cet apprentissage initial.

Si le temps disponible le permet, le premier mode de calcul peut être préférable pour des débutants, car il permet aux élèves de mieux comprendre la thermodynamique sous-jacente. Nous montrerons comment il peut être mis en pratique concrètement. Si le temps est compté, l'utilisation directe de Thermoptim évite d'entrer dans le détail des calculs, mais il y a un risque que les élèves utilisent le simulateur comme un logiciel presse-bouton, sans trop comprendre ce qu'il fait.

Le choix entre ces deux approches dépendra donc du contexte, et notamment de la durée de la formation et du niveau des élèves. Il par ailleurs est clair qu'elles sont complémentaires et peuvent être présentées dans un ordre ou dans l'autre.

Dans ces deux approches, les diagrammes thermodynamiques servent à visualiser les évolutions subies par les fluides une fois que l'état des différents points a été déterminé.

Nous aurions aussi pu parler d'une troisième approche qui consiste à construire directement les cycles sur diagramme en y représentant les évolutions de référence. Cette manière de faire est tout à fait pertinente, surtout si l'enseignant se satisfait d'une étude qualitative des cycles.

C'est celle que nous avons retenue dans la présentation allégée destinée aux apprenants en formation professionnelle qui fait l'objet de la cinquième partie.

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