2018-2019 / HULG9278-1

Thermodynamique appliquée

Durée

40h Th

Nombre de crédits

 Master en ingénieur de gestion, à finalité4 crédits 

Enseignant

Vincent Kelner

Langue(s) de l'unité d'enseignement

Langue française

Organisation et évaluation

Enseignement au premier quadrimestre, examen en janvier

Horaire

Horaire en ligne

Unités d'enseignement prérequises et corequises

Les unités prérequises ou corequises sont présentées au sein de chaque programme

Contenus de l'unité d'enseignement

La thermodynamique se situe à l'intersection de la physique et de la mécanique : elle a pour objet l'étude de la dynamique des systèmes thermomécaniques. Plus précisément, la thermodynamique est la science qui étudie un système au cours de son évolution sous l'angle de ses échanges mécaniques (travail) et thermiques (chaleur) avec le milieu extérieur. Les transferts de chaleur représentent quant à eux le transfert (spontané) d'énergie thermique d'un corps chaud vers un corps froid.
Fondement des diverses disciplines liées à la thématique de l'énergie, l'activité d'apprentissage Thermodynamique et transfert de chaleur aborde les notions primordiales et indispensables pour accéder efficacement à d'autres Unités d'Enseignement telles que Production d'énergie 1 et Production d'énergie 2.
Destiné à un public d'étudiants suivant le programme de "passerelle", la première partie de cette activité d'apprentissage débutera par un rappel des notions de thermométrie. Les différents modes de transferts thermiques (conduction, convection naturelle et forcée, rayonnement) seront ensuite exposés. Chaque mode s'accompagnera d'une description des mécanismes en jeu, ainsi que des méthodes de base permettant de le quantifier. Les modes combinés de transfert thermique ainsi que différents procédés industriels (ailettes de refroidissement, échangeurs de chaleur, caloducs) seront ensuite abordés. La seconde partie de cette activité d'apprentissage sera quant à elle consacrée à la thermodynamique macroscopique des phénomènes réversibles. L'approche pédagogique sera progressive, axiomatique et appliquée. Après avoir introduit quelques notions de base (système, variable et état thermodynamiques, transformations, équilibre, cycle, travail et chaleur, enthalpie) les axiomes que constituent le premier et le second principe de la thermodynamique seront envisagés comme des postulats nous permettant d'aborder les notions d'entropie, d'irréversibilité, d'efficacité et de rendement. L'accent sera particulièrement mis sur les gaz parfaits. Après avoir examiné le comportement des substances dites pures, la dernière partie du cours sera consacrée à l'étude d'applications industrielles. Les installations thermiques mettant en œuvre un gaz parfait ou une vapeur (notamment un cycle à vapeur, un moteur à combustion interne ou une installation de cogénération) seront tout d'abord développées. Enfin, les installations frigorifiques (notamment les cycles à compression incluant les pompes à chaleur) seront abordées.
Ces contenus théoriques seront illustrés au travers de la résolution de cas pratiques.

Acquis d'apprentissage (objectifs d'apprentissage) de l'unité d'enseignement

Objectifs :
Ce cours traite conjointement des transferts d'énergie et de chaleur. Nous aborderons ici la thermodynamique sous un angle relativement pragmatique. A l'aide des notions fondamentales et uniformisées qui seront envisagées comme de puissants outils, nous arriverons à comprendre, analyser et prédire le fonctionnement d'applications usuelles telles que les pompes à chaleur, les centrales TGV (Turbine-Gaz-Vapeur), les moteurs thermiques et les turbo-réacteurs. Dans le cadre des échanges thermiques, l'étude préliminaire des différents modes de transfert de chaleur nous conduira ensuite à aborder divers procédés industriels tels que les échangeurs de chaleur, les caloducs et les ailettes de refroidissement.
Acquis d'apprentissage et compétences :
Cette Unité d'Enseignement s'attache à fournir aux étudiants un socle de connaissances solides dans le domaine de la thermique (thermodynamique et transfert de chaleur). Elle vise également à le familiariser avec des applications thermiques fréquemment rencontrées dans le monde industriel.
Au terme de cet enseignement, l'étudiant sera donc capable :

  • de comprendre les concepts élémentaires de la thermodynamique (système, variable et état, transformations, cycle, travail, chaleur, enthalpie, premier et deuxième principes, entropie, irréversibilité et rendements) ;
  • d'appliquer ces concepts dans le cadre d'un bilan énergétique ;
  • d'expliquer et d'identifier les modes principaux (et combinés) de transfert de chaleur (conduction, convection et rayonnement) ; 
  • de mettre en œuvre une méthode de résolution efficace en vue de quantifier les transferts de chaleur pour des applications pratiques ;
  • d'évaluer les conversions et la détérioration de l'énergie lors d'une transformation dans un système impliquant des échanges de chaleur et/ou du travail mécanique ;
  • d'expliquer le fonctionnement d'installations thermiques motrices mettant en œuvre un gaz parfait ou une vapeur, notamment un cycle à vapeur, un moteur à combustion interne ou une installation de cogénération ;
  • d'expliquer le fonctionnement d'installations frigorifiques, notamment les cycles à compression incluant les pompes à chaleur ;
  • de modéliser ces installations thermiques motrice et frigorifique en vue d'en calculer et d'en analyser les performances ;
  • d'expliquer le fonctionnement de procédés industriels liés au transfert de chaleur ;
  • de discuter les hypothèses de modélisation et les résultats de calculs.

Savoirs et compétences prérequis

Activités d'apprentissage prévues et méthodes d'enseignement

L'activité d'apprentissage Thermodynamique et Transfert de chaleur comprend majoritairement des séances ex cathedra et quelques séances de travaux dirigés.
Le cours compte un total de 26 séances de 1h30 chacune. Ces séances sont organisées selon la structure suivante :

  • Notions de thermométrie
  • Propagation de la chaleur par conduction, convection et rayonnement
  • Applications thermiques
  • Concepts de base thermodynamique
  • Premier principe de la thermodynamique
  • Second principe de la thermodynamique
  • Entropie
  • Substances pures
  • Cycles moteurs et applications
  • Cycles frigorifiques et applications.
Outre à induire une passion pour la thermodynamique et les échanges thermiques chez l'étudiant, les séances ex cathedra sont consacrées à la description et à l'explication des concepts élémentaires théoriques et pratiques de ces disciplines. Ces séances sont aussi destinées à développer chez l'étudiant les différents nivaux d'abstraction requis afin d'analyser, de modéliser et de comparer des applications industrielles complexes. Ces séances sont également l'occasion de poser un regard critique sur les modèles utilisés. Lors de cet enseignement magistral en auditoire, l'implication de l'étudiant consistera en une écoute attentive et une prise de notes. Par ailleurs, Il n'hésitera pas à poser et/ou répondre à des questions. Certaines séances sont également consacrées à la résolution d'exercices destinés à illustrer, sous un angle pratique, les concepts théoriques envisagés précédemment. Ces séances prennent la forme de travaux dirigés (TD) : après un bref rappel théorique, l'enseignant présente la résolution d'un exercice-type ; ensuite, chaque étudiant résout "par lui-même" différents exercices proposés. Durant toute la séance, l'enseignant se tient à la disposition de l'étudiant afin de le "guider" dans sa résolution, et lui donner également un feedback relatif à l'évolution de son apprentissage. De plus, l'échange (de solutions, de points de vue et de résolutions) entre les membres du groupe est encouragé. Enfin, et en vue de leur résolution à domicile (devoirs complémentaires), plusieurs exercices supplémentaires sont proposés aux étudiants.

Mode d'enseignement (présentiel ; enseignement à distance)

Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours

L'ensemble des notes du cours théorique est disponible gratuitement et téléchargeable au format .pdf sur la plateforme d'apprentissage en ligne Moodle (https://elearning.helmo.be) dans la rubrique Technique long. La clef d'accès sera communiquée lors de la première séance du cours théorique. Ces notes de cours comprennent :

  • Les diapositives vues au cours théorique. Ces dias couvrent l'ensemble de la matière enseignée au cours ex cathedra, et elles en épousent la même structure en chapitre. Elles seront avantageusement complétées et annotées par les étudiants durant le cours.
  • Un recueil d'exercices. Ce dernier comprend les énoncés envisagés lors des travaux dirigés (TD) ainsi que divers exercices supplémentaires. Chaque exercice est accompagné de sa solution mais non de sa résolution qui sera établie - pour certains d'entre eux - en présentiel, lors des TD.
  • Les ressources utilisées lors des TD (caractéristiques thermiques des matériaux, tables thermodynamiques, ...).

Modalités d'évaluation et critères

La note finale (NF) de cette Unité d'Enseignement est établie, en première et en seconde session, au moyen d'un examen oral qui porte sur l'ensemble de la matière vue au cours. Le jour de l'examen, l'étudiant tire tout d'abord au sort deux questions intégratrices à réponses ouvertes longues ; ensuite, après une période de préparation (réflexion, prise de notes écrites et synthétiques), il présente oralement sa production. Différentes questions, plus petites, et portant sur des points précis de la théorie, lui sont également posées durant cet entretien oral personnel. Cet examen se déroule sans calculatrice, et aucun document ne peut être consulté. Un exercice pratique peut éventuellement faire l'objet d'une question. Dans ce cas, une calculatrice peut être employée. Lors de cette évaluation, l'étudiant démontrera sa compréhension générale tant des installations thermiques fréquemment rencontrées dans le monde industriel, que des concepts théoriques qui sous-tendent leur fonctionnement. En outre, il attestera de sa maîtrise de la matière, et non d'une restitution de mémoire de relations apprises par cœur : dans ses réponses doivent dominer le raisonnement, la logique, l'interprétation physique et la justification des relations et des comportements physiques présentés. Pondération de l'unité dans le programme d'études : 4

Stage(s)

Remarques organisationnelles

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