Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Conclusion

L'approche essentiellement qualitative et phénoménologique qui a été utilisée dans cette introduction prouve qu'il est possible d'initier des élèves aux cycles des machines thermiques usuelles en limitant les concepts thermodynamiques qui leur sont présentés et notamment en ne faisant pas appel à l'entropie.

Pour résumer, les jalons d'une présentation pédagogique allégée des cycles thermodynamiques (Carte ci-dessous) nous semblent pouvoir être les suivants (nous avons indiqué entre parenthèses les sections du premier tome du livre Systèmes Energétiques [1] où ces points sont développés plus en détail, afin de faciliter un éventuel approfondissement ultérieur des notions abordées) :

  • Description technologique succincte des machines, avec schéma de leur architecture (sections 6.1.1, 6.2.1 et 6.3.1) ;

  • Mise en évidence des quatre fonctions élémentaires : compressions, détentes avec production de travail, détentes sans production de travail, échanges de chaleur (section 2.3.6) ;

  • Introduction des notions de système et d'état thermodynamique, distinction entre systèmes fermés et systèmes ouverts (sections 2.1.1, 2.1.2) ;

  • Les systèmes thermodynamiques qui nous intéressent n'échangent de l'énergie avec l'environnement que sous deux formes bien distinctes : de la chaleur et du travail (section 2.2) ;

  • La loi fondamentale qui gouverne le comportement des systèmes thermodynamiques est celle de la conservation de l'énergie, connue sous le nom de premier principe (sections 2.3.1 à 2.3.4) ;

  • Son application aux quatre transformations élémentaires montre que la détermination de la variation d'enthalpie du fluide qui les traverse suffit pour calculer l'énergie qu'elles mettent en jeu, que ce soit du travail ou de la chaleur (section 2.3.6) ;

  • Rappels succincts sur les propriétés des corps purs et leur représentation graphique dans les diagrammes thermodynamiques (sections 2.6.1 et 2.6.6.1) ;

  • Mise en évidence des évolutions de référence correspondant à ces transformations pour les machines parfaites (section 4.1.2) ;

  • Réflexion sur le choix des variables d'état les plus appropriées pour des élèves disposant d'un bagage léger en mathématique et en physique, montrant l'intérêt pédagogique des diagrammes (h, ln(P)) ;

  • Représentation des cycles de la centrale à vapeur et de la machine de réfrigération dans ces diagrammes ;

  • Enfin, une modélisation directe des cycles peut être effectuée dans Thermoptim (sections 6.1, 6.2 et 6.3).

Carte des jalons de la présentation allégée

Il ne s'agit pas pour nous de minimiser l'intérêt que présente l'entropie : nous considérons seulement qu'il peut être préférable de ne pas l'introduire au tout début de la formation lorsque les élèves n'ont pas la culture requise. S'ils l'ont, rien ne s'oppose bien sûr à l'utiliser, bien au contraire.

Sans parler d'entropie, nous insistons en revanche sur le caractère adiabatique des compresseurs et des turbines, et sur l'importance de l'adiabatique réversible comme évolution de référence pour ces machines.

Sans avoir besoin de dire son nom, l'intérêt de l'entropie pour les études de cycle sous-tend donc notre approche, et son introduction formelle dans un second temps en est facilitée (par exemple dans la seconde partie de la note complète ), lorsque les élèves se sont familiarisés avec toutes les nouvelles notions présentées ici.

Rappelons que c'est cette approche qui a été mise en œuvre dans les MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur (CTC).

L'ensemble des ressources scénarisées de ces deux MOOC est accessible à tout moment sur le portail.

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