2021-2022 / MECA0002-1

Thermodynamique appliquée et introduction aux machines thermiques

Durée

26h Th, 26h Pr

Nombre de crédits

 Bachelier en sciences de l'ingénieur, orientation ingénieur civil5 crédits 
 Master : ingénieur civil en aérospatiale, à finalité5 crédits 
 Master : ingénieur civil électromécanicien, à finalité5 crédits 
 Master : ingénieur civil mécanicien, à finalité5 crédits 

Enseignant

Vincent Lemort

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

L'objectif du cours est de comprendre et être capable de décrire le principe de fonctionnement d'un ensemble des machines thermodynamiques les plus couramment utilisées. Il s'agira de machines motrices (moteurs) et réceptrices (pompes à chaleur et machines frigorifiques). Pour chacune des machines, le cycle thermodynamique idéal décrit par le fluide de travail sera représenté dans les diagrammes thermodynamiques les plus usuels. Le cours abordera les différentes "sources de pertes" dont les machines réelles sont le siège et montrera comment le cycle réel diffère du cycle idéal. Les critères de performance des machines thermodynamiques et de leurs composants seront introduits. L'étude des machines thermodynamiques et de leurs composants exploitera le premier principe (appliquées à des systèmes fermés et ouverts, en régimes stationnaire et transitoire), ainsi que le second principe de la thermodynamique. Le cours abordera aussi la notion d'exergie (« qualité de l'énergie »), le traitement de l'air humide et la combustion.
La table des matières du cours est donnée ci-dessous (elle suit celle de l'ouvrage de référence référencé plus bas):
Chapitre 0 : Introduction Chapitre 1: Notions fondamentales Chapitre 2: Energie, transferts d'énergie et analyse énergétique Chapitre 3: Propriétés des substances pures Chapitre 4: Analyse énergétique des systèmes fermés Chapitre 5: Analyse énergétique et massique des systèmes ouverts Chapitre 6: Le deuxième principe de la thermodynamique Chapitre 7: L'entropie Chapitre 8: L'exergie Chapitre 9: Les cycles à gaz Chapitre 10: Les cycles à vapeur Chapitre 11: Les cycles frigorifiques Chapitre 14: Psychrométrie Chapitre 15: La combustion

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

L'objectif est de donner une formation de base à des ingénieurs non encore spécialisés en insistant sur les aspects pratiques et les possibilités d'application directe. Le cours vise d'une part à être capable d'appliquer les deux grands principes de la thermodynamique à l'étude de différentes machines et d'autres part à développer une culture technique dans le domaine.

Chaque séance de cours est prolongée par une séance d'exercices qui a pour but d'illustrer les notions théoriques évoquées.
Le cours est aussi directement lié aux séances de laboratoires (obligatoires) où l'étudiant découvrira le comportement réel de certaines machines thermiques.

Ce cours contribue aux acquis d'apprentissage I.1, I.2, II.1, III.1, III.2, IV.1, IV.2, V.1 du programme de bachelier ingénieur civil.

Savoirs et compétences prérequis

Notions de base en thermodynamique générale, mécanique des fluides, transfert de chaleur et emploi des combustibles. Les premiers chapitres du cours rappelle les notion d'énergie, de transfert d'énergie entre un système et son environnement, du premier principe appliqué à des systèmes fermés (en étendant le concept aux systèmes ouverts), de propriétés des corps purs, et les différents énoncés du 2e principe de la thermodynamique (en introduisant in fine la variable entropie).

Activités d'apprentissage prévues et méthodes d'enseignement

Chacune des 12 séances de 2h cours est directement illustrée par une séance d'approximativement 2h d'exercices (chaque étudiant avançant à son rythme). Les énoncés d'exercices sont mis en ligne en début de séance (QCM sur E-campus). Ils se résolvent à l'aide d'un logiciel Open-Source (langage Python). Chaque étudiant doit idéalement les réaliser sur son ordinateur personnel, en classe ou à domicile. Des séances de questions-réponses sont organisées chaque semaine pour accompagner les étudiants dans ces exercices. Les codes-solutions commentés ainsi qu'un diaporama explicatif de rappels théoriques sont mis à disposition des étudiants la semaine qui suit chaque séance d'exercice. L'étudiant a donc une semaine pour réaliser le QCM sur eCampus avant d'en avoir la solution. L'étudiant peut réaliser chaque QCM autant de fois qu'il le souhaite et les scores de l'étudiant à ces QCM ne sont pas comptabilisés dans la note finale du cours.
Le cours est aussi illustré par 2 séances de laboratoire qui donnent l'occasion aux étudiants de faire le bilan énergétique et l'analyse des performances de plusieurs machines (actuellement une pompe à chaleur et un compresseur à air). Les machines utilisées peuvent varier d'année en année en fonction des moyens et disponibilités du laboratoire de thermodynamique de l'université. Ces machines sont tout à fait réelles: ce ne sont pas des machines didactiques inventées pour les besoins de la cause. Les séances sont organisées de telle sorte que chaque machine soit traitée par un maximum de deux étudiants à la fois (pour des raisons organisationnelles, ce nombre d'étudiants maximum idéal peut varier). Ces travaux de laboratoire sont documentés sur un support mis en ligne sur E-campus. Au laboratoire, tous les calculs et le rapport sont réalisés à l'aide de feuilles de calculs et de graphiques pré-imprimés.
Des QCM obligatoires (évaluation formative) devront être complétés sur E-campus pour chaque laboratoire. Chaque étudiant doit obtenir un score de 80% pour chacun des QCM de laboratoire pour pouvoir passer l'examen. Chaque étudiant a un nombre illimité de tentatives pour ces QCM de laboratoire.

Mode d'enseignement (présentiel, à distance, hybride)

Le cours est organisé en mode hybride (voir ci-dessous). Le cours théorique est organisé le lundi de 13h45 à 15h45. La séance d'exercices (séance de questions/réponses sur les exercices mis en ligne) est donnée à distance de 16h à 18h.

Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours

Les transparents du cours sont suffisamment détaillés pour ne pas nécessiter la lecture d'un ouvrage de référence. Toutefois, le cours suit fidèlement l'ouvrage de référence suivant « Y. A. Cengel, M. A. Boles et M. Lacroix, Thermodynamique, une approche pragmatique. Chenelière McGraw-Hill » Les étudiants qui souhaiteraient approfondir l'apprentissage des matières vues dans le cours sont invités à consulter cet ouvrage.

Modalités d'évaluation et critères

Examen pratique à livre ouvert, à distance (eCampus), sur ordinateur (60% de la note finale)
Examen de théorie à livre ouvert sur ordinateur (40% de la note finale). Il s'agira de questions de réflexion permettant d'évaluer la bonne compréhension des concepts théoriques.
Rappel : Les résultats des travaux de laboratoire ne sont pas pris en compte dans l'évaluation globale. Toutefois, la participation à l'examen est conditionnée par la réalisation avec succès de QCM en ligne sur les laboratoires (qui peuvent être réalisés autant de fois que nécessaire).

Stage(s)

Remarques organisationnelles

Contacts