Découvrez comment Thermonator vous aide à résoudre rapidement vos calculs.
La thermodynamique est plus simple avec Thermonator. Apprenez les fonctions de base et vous gagnerez un temps précieux en évitant les calculs répétitifs.
Cependant, une bonne compréhension de la thermodynamique est indispensable pour utiliser Thermonator efficacement. Par exemple, une calculatrice scientifique calcule les fonctions trigonométriques, mais pour résoudre des problèmes de trigonométrie, il faut comprendre la fonction sinus ou les lois des angles. Thermonator calcule très rapidement, mais il est crucial d’effectuer les calculs correctement. Pour les appliquer correctement, il est nécessaire de comprendre la notion de volume de contrôle et les lois de la thermodynamique. Sans une bonne connaissance de la thermodynamique, vos calculs seront erronés.
Rassurez-vous! Thermonator propose de nombreuses explications et exemples pour répondre aux questions les plus fréquentes et vous aider à éviter les erreurs de débutant.
Comment effectuer des calculs avec Thermonator? C’est très simple. Cette vidéo vous montre comment calculer rapidement les propriétés thermodynamiques.
Les valeurs et équations thermodynamiques peuvent varier selon l’exercice que vous effectuez. Par exemple, la pression en bars diffère de la pression en kilopascals, et les équations utilisées pour les systèmes thermodynamiques ouverts et fermés sont différentes. Elles peuvent même varier selon le manuel ou le tableau utilisé.
Il est donc essentiel de prendre en compte les conditions de votre exercice pour garantir l’exactitude des résultats. Dans les sections suivantes, vous découvrirez comment Thermonator vous aide à définir ces conditions.
Quel système thermodynamique devez-vous résoudre ? Comment allez-vous l’analyser ? Quelles unités allez-vous utiliser ?
Après avoir lu l’énoncé du problème, cet écran vous aide à définir le problème à résoudre et la méthode d’analyse, en veillant à utiliser les valeurs et les équations correctes.
Cliquez sur le bouton « Nouvel exercice » ou ouvrez le menu « Paramètres > Nouvel exercice » pour accéder à cet écran.
Sur cet écran, le bouton « Nouvel exercice » efface la configuration actuelle et vous oblige à sélectionner de nouvelles options afin d’éviter toute configuration indésirable de l’exercice précédent.
En cliquant sur le bouton « Exemples », le menu « Dispositifs » affiche la configuration de chaque dispositif thermodynamique. Par exemple, une turbine est configurée avec un système à volume de contrôle ouvert. Vous y trouverez également des liens vers des exercices résolus qui pourront vous être utiles.
Enfin, les options de configuration sont disponibles. Elles apparaissent simultanément pour vous permettre de les configurer rapidement avant de commencer l’exercice. Vous pouvez également les configurer séparément par la suite, comme nous le verrons dans les sections suivantes.
Quelles propriétés thermodynamiques sont nécessaires pour résoudre votre problème ?
Il est préférable d’afficher uniquement les propriétés utiles, car la présence de nombreuses valeurs numériques à l’écran peut entraîner une surcharge d’informations et nuire à la concentration.
Pour résoudre ce problème, vous pouvez utiliser l’écran « Propriétés ».
L’écran « Propriétés » est accessible via le menu « Paramètres > Propriétés ».
Cet écran affiche toutes les propriétés thermodynamiques calculées par Thermonator. Elles sont réparties en quatre groupes :
Propriétés d’état : valeurs caractérisant un état thermodynamique.
Propriétés de saturation : propriétés d’un état à la limite d’un changement de phase (liquide saturé ou vapeur saturée).
Propriétés de processus : valeurs caractérisant un processus thermodynamique.
Propriétés de cycle : rendements du cycle.
Chaque propriété est accompagnée d’un bouton « Information » permettant d’obtenir des informations complémentaires.
Notez que certaines propriétés peuvent avoir des valeurs différentes selon le manuel ou le type de système thermodynamique étudié. C’est pourquoi certaines propriétés sont signalées par des icônes, indiquant par exemple s’il s’agit de propriétés extensives ou si leur valeur dépend de l’état de référence. Pour toute question, cliquez sur les icônes afin d’afficher des informations supplémentaires sur chaque propriété.
Il faut être vigilant lors du choix des unités pour chaque exercice, car les équations mathématiques renvoient toujours un résultat, mais ce résultat n’est correct que si les unités sont également correctes.
Le menu « Paramètres > Unités » ouvre l’écran de sélection des unités de votre exercice.
Cet écran comporte deux parties. La première, le « Sélecteur d’unités », vous permet de configurer les unités affichées dans votre exercice.
La seconde, le « Convertisseur d’unités », vous permet de convertir rapidement des unités. Il vous suffit de sélectionner le type d’unité à convertir et de saisir la valeur souhaitée dans l’unité correspondante. La conversion s’effectuera automatiquement dans l’autre unité du même type.
Quel type de système thermodynamique devez-vous résoudre ? Quelles équations utiliserez-vous pour le résoudre ?
L’analyse du système thermodynamique détermine les équations mathématiques permettant de calculer le travail effectué par les processus. Veillez à utiliser les options appropriées pour votre exercice.
Ouvrez le menu « Paramètres > Analyse du système » pour accéder à cet écran.
Vous devez configurer trois options :
Système de contrôle : Les dispositifs thermodynamiques utilisés dans votre exercice déterminent comment le travail est effectué ou consommé ; autrement dit, l’équation permettant de calculer le travail du système. Choisissez le système de contrôle en fonction des dispositifs utilisés dans votre exercice. Le travail sera calculé à l’aide de l’équation du système de contrôle sélectionné. Il existe deux types :
Contrôle de la masse (système fermé) : La substance est enfermée dans le dispositif. Le dispositif effectue ou consomme du travail en raison de la variation de volume occupée par la substance, soit W = m ∫ P·dv.
Contrôle du volume (système ouvert) : La substance entre et sort du dispositif. Le dispositif effectue ou consomme du travail en raison de la variation de pression subie par la substance, soit Wvc = m ∫ v·dP.
Convention de signe : Le signe dans l’équation du premier principe de la thermodynamique peut changer, mais sa signification reste la même. Surprenant, n’est-ce pas ? Sélectionnez l’option appropriée en fonction du document de référence que vous utilisez.
Convention négative : Certains ouvrages considèrent que le travail effectué par un dispositif est positif. Autrement dit, un travail positif diminue l’énergie du système. Ainsi, pour un système fermé, le premier principe de la thermodynamique s’exprime par ΔU = Q – W.
Convention positive : Certains ouvrages considèrent que toute énergie entrant dans un dispositif est positive. Autrement dit, un travail positif augmente l’énergie du système. Ainsi, pour un système fermé, le premier principe de la thermodynamique s’exprime par ΔU = Q + W.
Analyse des unités : Cela dépend du fait que l’on souhaite mesurer une action ponctuelle ou continue du système.
Unités d’énergie : On mesure une action ponctuelle du système. Par exemple, le travail effectué par la détente d’un piston-cylindre, mesuré en kilojoules.
Unités de puissance : On mesure une action continue par unité de temps. Par exemple, le travail d’une turbine en fonctionnement, mesuré en kilowatts (kilojoules par seconde).
En Thermodynamique, plusieurs critères permettent de définir l’énergie d’une substance dans un état donné. Par exemple, l’IIR (Institut International du Froid) définit un liquide saturé à 0 °C comme ayant une enthalpie de 200 kJ/kg et une entropie de 1 kJ/(kg·K). L’IUPAC (Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée) définit quant à elle l’enthalpie et l’entropie comme nulles pour un liquide saturé à 1 bar.
De ce fait, les tables thermodynamiques peuvent afficher des valeurs différentes pour les propriétés énergétiques selon l’état de référence utilisé.
Il est donc nécessaire d’ajuster les valeurs de l’état de référence pour chaque substance en fonction de vos sources de référence.
Ouvrez le menu « Paramètres > État de référence » pour accéder à cet écran.
Ajuster l’état de référence est très simple. Copiez simplement les valeurs d’enthalpie et d’entropie depuis n’importe quel état de votre tableau. Une fois appliquées, Thermonator calculera automatiquement l’ajustement nécessaire pour que les valeurs correspondent à celles de votre tableau.
En appuyant sur le bouton « Préréglages », vous pouvez configurer l’état de référence selon différents critères :
Lors de l’analyse d’une série de valeurs, préférez-vous les lire dans un tableau de données ou les visualiser sur un graphique ? Notre cerveau interprète mieux les images, et c’est pourquoi Thermonator utilise le graphique thermodynamique pour faciliter la compréhension des concepts théoriques.
Par exemple, les processus sont codés par couleur afin de distinguer clairement leur type en fonction de la chaleur qu’ils dégagent :
Le rouge représente les processus qui absorbent de la chaleur.
Le bleu représente les processus qui dégagent de la chaleur.
Le vert représente les processus adiabatiques, qui n’absorbent ni ne dégagent de chaleur.
Voyons d’autres exemples.
D‘après le premier principe de la thermodynamique, le travail d’expansion d’un système cylindre-piston est donné par W<sub>x</sub> = m ∫ P·dv. Sur un diagramme Pv, ce travail correspond à l’aire sous la courbe d’expansion multipliée par la masse du système.
Graphiquement, on constate aisément que le travail augmente avec le volume final du système, puisque l’aire sous la courbe est plus grande. On peut même estimer le travail d’expansion en comptant les carrés sous la courbe et en les multipliant par la masse du système.
De plus, puisque le système est représenté en rouge, on sait qu’il a nécessité l’absorption de chaleur pour se dilater.
Concernant le second principe de la thermodynamique, pour comprendre la relation entre chaleur et entropie (Q = m ∫ T·ds), on peut représenter un cycle de Carnot sur un graphique en fonction de Ts et en déduire que la chaleur de chaque transformation est égale à l’aire sous sa courbe multipliée par la masse de la transformation.
Graphiquement, il est évident que les transformations adiabatiques (en vert) ne génèrent ni n’absorbent de chaleur, car, étant verticales, elles n’ont pas d’aire sous leur courbe. La chaleur absorbée par le cycle est égale à l’aire délimitée par celui-ci, puisque l’aire sous la courbe de la transformation 4-1 (en rouge) doit être réduite de l’aire sous celle de la transformation 2-3 (en bleu), car elle est de sens opposé. En fait, on peut calculer cette chaleur en comptant les carrés sous la courbe et en les multipliant par la masse de la transformation.
Il est également évident que la chaleur absorbée par le cycle est proportionnelle à la différence de température entre les sources chaude et froide, car l’aire délimitée par le cycle augmente proportionnellement à cette différence.
En résumé, le graphique permet de déduire aisément diverses caractéristiques du système thermodynamique, les interactions entre ses propriétés, les situations indésirables, etc. Autrement dit, il est d’une grande aide pour comprendre le comportement des systèmes thermodynamiques.
Nous allons maintenant voir comment effectuer des calculs à l’aide du graphique et adapter sa représentation aux besoins de l’exercice.
À l’aide du bouton « Substances », sélectionnez la substance dont vous souhaitez calculer les paramètres. Les substances sont classées en trois types, chacun possédant son propre menu, selon le modèle de calcul utilisé :
Gaz parfaits : Ce modèle, le plus simple, est fréquemment utilisé dans les exercices car ses calculs sont très faciles. Il utilise une capacité thermique massique constante et la loi des gaz idéaux, P·v = R·T. C’est pourquoi les manuels scolaires traitent souvent les gaz parfaits comme des gaz idéaux.
Gaz idéaux : Ce modèle est le plus connu grâce à son équation d’état, P·v = R·T. Il diffère de la loi des gaz parfaits par le fait que la capacité thermique massique varie avec la température.
Substances réelles : Ces modèles sont les plus complexes car ils calculent l’état d’une substance, qu’il s’agisse d’un liquide ou d’un gaz. Il existe de nombreux modèles différents : IAPWS, Benedict-Webb-Rubin, Peng-Robinson, etc. L’équation d’état et la capacité thermique massique sont des fonctions complexes qui diffèrent pour chaque substance.
Le menu « Recherche » ouvre une boîte de dialogue contenant une liste permettant de sélectionner la substance souhaitée. Dans le champ de texte, vous pouvez saisir le nom, l’alias ou la formule chimique de la substance pour faciliter la sélection.
Pour chaque substance, un bouton « Informations » ouvre un écran affichant des informations la concernant. Le bouton « Favoris », situé à côté, ajoute la substance au menu principal des substances pour un accès plus rapide.
Le menu « Informations sur la substance » affiche un écran présentant des informations générales sur la substance sélectionnée. Cet écran contient :
Données principales : nom, formule chimique, masse moléculaire et modèle de calcul.
Données de saturation, notamment l’enthalpie de vaporisation au point critique et à la pression d’ébullition normale à 1 atmosphère et 1 bar.
Chaleurs spécifiques et coefficient gamma à différentes températures.
Domaine de validité pour le calcul des états de cette substance.
Un état thermodynamique est calculé à partir de deux propriétés. Dans Thermonator, deux méthodes permettent de saisir ces deux propriétés pour créer un état :
Si aucun état n’a été créé, saisissez les valeurs des deux propriétés et cliquez sur le bouton « Calculer ».
Vous pouvez également sélectionner l’outil « Nouvel état » et cliquer sur le graphique. L’état sera alors calculé à partir des valeurs des coordonnées sur le graphique, par exemple la pression et le volume sur un graphique Pv, ou la température et l’entropie sur un graphique Ts.
Pour adapter les propriétés d’état aux valeurs de votre exercice, procédez comme suit :
Modifiez la valeur d’une propriété. Il s’agira de la première propriété utilisée dans le calcul.
Cliquez sur une autre propriété. La propriété que vous modifiez sera la deuxième. Vous pouvez en changer la valeur ou la laisser telle quelle.
Cliquez sur le bouton « Calculer ». L’état sera calculé à partir de la propriété modifiée et de la propriété que vous êtes en train de modifier.
Vous constaterez que lorsque vous modifiez des propriétés, le bouton « Calculer » affiche ces propriétés afin d’indiquer comment le calcul sera effectué.
Il existe des cas particuliers, comme la modification de l’état initial ou final d’un processus individuel. Dans un processus individuel, il est courant de conserver sa propriété caractéristique, par exemple la pression dans un processus isobare. Par conséquent, lorsque vous modifiez une propriété, le bouton « Calculer » affichera également la propriété caractéristique du processus afin de calculer rapidement le nouvel état à partir de la propriété que vous modifiez et de la propriété caractéristique du processus.
Lorsque vous modifiez une propriété, sa valeur s’affiche en rouge pour vous avertir qu’il ne s’agit pas de la valeur réelle de cette propriété, mais d’une valeur temporaire. Pour rétablir la valeur d’origine, cliquez sur le bouton « Rétablir les valeurs » situé en haut à droite du panneau « Propriétés ».
Il arrive que l’on doive renommer des états selon un ordre précis, par exemple lors de la création de boucles complexes avec des embranchements. Le bouton « États » contient le menu « Renommer les états » permettant de modifier le nom de chaque état selon la nomenclature utilisée dans notre exercice.
Ce même bouton contient également des menus permettant d’afficher chacun des états et processus créés dans le graphique. Lorsque vous sélectionnez un état ou un processus, ses valeurs s’affichent dans le panneau « Propriétés », et les échelles du graphique s’ajustent automatiquement.
Cliquer sur le bouton « Type de graphique » ouvre un menu proposant plusieurs options. Les premières options, Zoom et Échelles, seront abordées dans la section suivante. Les différents types de graphiques apparaissent ensuite ; leur sélection modifie les axes du graphique. Parmi eux :
Graphique Pv : Ce graphique est très utile pour comprendre le premier principe de la thermodynamique. Sur ce graphique, l’aire sous une courbe représente le travail d’expansion d’un système fermé, soit Wx = m ∫ P·dv, tandis que l’aire à gauche de la courbe représente le travail technique d’un système ouvert, soit Wt = m ∫ v·dP.
Graphique Ts : Ce graphique est très utile pour comprendre le deuxième principe de la thermodynamique. Sur ce graphique, l’aire sous une courbe représente la chaleur de ce processus, soit Q = m ∫ T·ds. Pour cette même raison, les processus se déplaçant vers la droite absorbent de la chaleur et sont représentés en rouge, ceux se déplaçant vers la gauche la libèrent et sont représentés en bleu, et les processus verticaux sont adiabatiques et sont représentés en vert.
Graphiques Ph et hs : Ils sont largement utilisés, par exemple, dans l’analyse des cycles avec échangeurs de chaleur, car l’enthalpie représente l’énergie échangée par chaque processus.
Graphique PT : Il sert à visualiser la courbe de saturation et les différentes zones ou phases d’une substance réelle.
Les échelles du graphique peuvent être ajustées de plusieurs manières :
La méthode la plus courante consiste à cliquer et à faire glisser la règle horizontale ou verticale pour déplacer l’échelle correspondante. Vous pouvez également effectuer un zoom avant ou arrière en touchant l’écran avec deux doigts.
Pour mettre en évidence un état ou un processus spécifique, le bouton « États », situé à gauche des noms d’états, vous permet de sélectionner un état ou un processus afin d’ajuster automatiquement les échelles du graphique en conséquence.
Une autre action courante consiste à zoomer sur tous les états et processus calculés en sélectionnant l’option « Zoom » dans le menu « Type de graphique ».
Pour des ajustements plus précis, le bouton « Type de graphique » contient le menu « Échelles » avec plusieurs sous-menus :
Aide : Affiche un rappel des différentes méthodes d’ajustement des échelles.
Plage : Ouvre une boîte de dialogue permettant de saisir les valeurs minimale et maximale de l’échelle.
P log., T log., v log. : Configure la représentation de ces propriétés sur une échelle linéaire ou logarithmique.
Maintenant que nous savons comment configurer le graphique, voyons comment y effectuer des calculs.
Le bouton « Outils » propose un menu d’actions permettant d’ajouter, de modifier et de supprimer des éléments du graphique. Ces éléments sont des états, des processus et des cycles, c’est-à-dire les composantes d’un système thermodynamique.
Lorsqu’un de ces menus est sélectionné, le bouton « Outils » est renommé en conséquence, indiquant ainsi l’action à effectuer sur le graphique. Cliquer sur le graphique exécutera l’action correspondant au menu sélectionné.
Sélectionnez l’outil « Nouvel état » et cliquez sur le graphique pour créer un état dont les propriétés correspondent aux coordonnées du graphique. Par exemple, la pression et le volume sur un graphique Pv, ou la température et l’entropie sur un graphique Ts.
Une fois l’état créé, l’outil « Déplacer » est automatiquement sélectionné, ce qui vous permet de le déplacer sur le graphique.
Sélectionnez l’outil « Nouveau processus » pour afficher le sous-menu présentant les types de processus que vous pouvez créer. Le menu « Dispositifs » apparaît également, contenant des informations sur les principales caractéristiques des dispositifs thermodynamiques les plus courants, ainsi que le menu « Équations » avec les équations de tous les types de processus.
Une fois le type de processus sélectionné :
Cliquer sur le graphique crée un processus dont l’état initial correspond au point de clic et l’état final à l’endroit où vous avez relâché le clic.
Cliquer sur un état crée un nouveau processus depuis cet état jusqu’au point où vous avez relâché le clic.
Le processus « Polytropique » est un type particulier de processus qui ne peut être calculé qu’avec des gaz parfaits.
Lors de sa création, vous constaterez qu’aucune restriction ne s’applique à l’état final. En effet, le processus peut évoluer dans n’importe quelle direction, en fonction de son indice de polytropie.
Pour calculer ses états, vous pouvez utiliser deux propriétés d’état sur l’écran principal, comme pour tout autre processus, ou une propriété d’état et l’indice de polytropie.
Le processus « Inconnu » est utilisé lorsque les propriétés internes du processus sont inconnues ; autrement dit, lorsque seuls les états initial et final sont connus. Ces états peuvent prendre n’importe quelle valeur, ce qui permet au processus d’évoluer dans n’importe quelle direction.
Le processus « Inconnu » est créé en violet avec une icône d’avertissement. La couleur violette indique que le flux de chaleur au sein du processus est inconnu, et l’avertissement signale que ses propriétés internes sont également inconnues. Pour calculer ses propriétés, il faut ouvrir l’écran « Bilan énergétique » et effectuer le bilan à partir des données de l’exercice en cours.
Sélectionnez l’outil « Nouveau cycle » pour ouvrir l’écran correspondant. Lorsque vous débutez en thermodynamique, il est conseillé de créer des cycles étape par étape pour bien les comprendre et consolider vos acquis. Par la suite, cet écran vous permettra de résoudre rapidement les problèmes déjà rencontrés et de vous concentrer sur les nouveaux défis.
Cet écran affiche les cycles thermodynamiques les plus courants. Cliquer sur le nom d’un cycle affiche son graphique et un lien vers des informations complémentaires. Le bouton situé à droite ouvre l’écran de configuration du cycle sélectionné.
Sur l’écran des nouveaux paramètres du cycle, vous trouverez le graphique et les champs de texte pour saisir les valeurs de ses propriétés.
Il arrive que vos données d’entraînement ne correspondent pas à ces paramètres. Dans ce cas, vous pouvez créer le cycle avec des valeurs différentes, puis ajuster vos données d’entraînement sur l’écran principal.
Pour créer un cycle étape par étape et le fermer, utilisez l’outil « Fermer le cycle » afin de relier le dernier état du cycle au premier.
Une fois cet outil sélectionné, cliquez sur le dernier état du cycle dans le graphique et faites-le glisser jusqu’à ce qu’il se superpose à l’état initial. Le dernier état sera alors automatiquement supprimé et le processus associé sera relié à l’état initial.
L’outil « Sélectionner » met en surbrillance un état ou un processus en jaune et affiche ses propriétés dans le panneau « Propriétés ». Pour l’utiliser, il suffit de cliquer sur l’état ou le processus dans le graphique. Vous pouvez également sélectionner un état ou un processus à l’aide des menus du bouton « État », situé en haut à gauche du panneau « Propriétés ».
L’outil « Déplacer » fonctionne de manière similaire. Il permet de sélectionner l’état ou le processus, mais aussi de le faire glisser sur le graphique pour modifier ses propriétés.
Il est conseillé d’utiliser l’outil « Déplacer » lors de la création d’états et de processus. Après avoir ajusté les données de l’exercice, il est préférable d’utiliser l’outil « Sélectionner » afin d’éviter toute modification accidentelle.
L’outil « Supprimer » permet de supprimer des états et des processus en cliquant simplement dessus dans le graphique.
Pour simplifier les actions courantes, la suppression d’un état associé à un seul processus entraîne également la suppression de ce processus. De même, lorsqu’un processus est supprimé, ses états initial et final sont également supprimés, sauf si ces états appartiennent également à un autre processus.
L’outil « Inversion de processus » inverse l’état initial et l’état final d’un processus.
Lorsqu’un processus appartient à une branche d’un cycle, tous les processus de cette branche sont inversés. Ainsi, s’il s’agit d’un cycle de base, le cycle entier est inversé, ce qui en fait un outil très utile pour analyser rapidement les différences entre les cycles de puissance et de refroidissement.
L’outil « Diviser le processus » permet de scinder un processus en deux. Concrètement, il crée un nouvel état intermédiaire et relie l’état initial à cet état intermédiaire, puis ce dernier à l’état final.
Cet outil est utile, par exemple, pour diviser le processus d’une turbine en deux parties : la turbine haute pression et la turbine basse pression.
L’outil « Processus en cascade » simplifie la création de processus répétitifs, tels que les processus de réchauffage ou de refroidissement. Chaque processus se compose d’une phase isobare et d’une phase adiabatique, créées automatiquement par cet outil.
En général, sélectionner cet outil et cliquer sur un état lié à deux processus insère deux nouveaux processus analogues aux processus existants, formant ainsi une cascade de processus.
Dans cette section, nous examinerons des fonctions supplémentaires qui accélèrent la résolution des systèmes thermodynamiques ou qui sont couramment utilisées dans l’apprentissage de la thermodynamique.
Les conversions d’unités sont très fréquentes en thermodynamique et constituent l’une des premières compétences qu’un étudiant doit acquérir.
Le menu « Plus d’options > Convertisseur d’unités » ouvre une fenêtre facilitant ces conversions. Il est important de noter que, outre la sélection des unités de travail, le menu « Paramètres > Unités » contient également un convertisseur d’unités.
Le convertisseur d’unités comprend un sélecteur permettant de choisir le type d’unité à convertir et les unités disponibles pour ce type.
Ces unités sont :
Pression : bar, atmosphère, atmosphère technique, kilopascal, mégapascal et PSI absolu.
Température : kelvin, degré Celsius, Rankine et degré Fahrenheit.
Volume : mètre cube, litre, pied cube et gallon (US).
Masse : mole, kilomol, kilogramme, livre et livre-mole.
Énergie : joule, kilojoule, kilocalorie, kilowattheure et BTU.
Puissance : watt, kilowatt, cheval-vapeur (international), cheval-vapeur (Royaume-Uni), BTU par seconde et BTU par heure.
La valeur de chaque unité est modifiable ; toute modification de cette valeur met automatiquement à jour les valeurs des autres unités afin de garantir la cohérence de l’affichage.
Les unités de masse constituent un cas particulier, car elles nécessitent la configuration de la masse moléculaire de la substance pour convertir correctement les valeurs entre toutes ses unités.
L’interpolation dans les tables est sans doute le calcul le plus fréquent (et le plus redouté) pour les étudiants en thermodynamique. Pour y remédier, Thermonator propose un interpolateur qui simplifie ces calculs et affiche la solution étape par étape, permettant ainsi aux étudiants de vérifier rapidement leurs résultats et de se concentrer sur la compréhension d’autres concepts de la thermodynamique.
Le menu « Plus d’options > Interpolation » ouvre la fenêtre d’interpolation des valeurs dans les tables thermodynamiques.
Cette fenêtre effectue des interpolations linéaires à une ou deux dimensions. L’option unidimensionnelle est généralement utilisée pour l’interpolation dans les tables de saturation, tandis que l’option bidimensionnelle est utilisée pour l’interpolation dans les tables de liquides sous-refroidis ou de vapeurs surchauffées.
En haut, le bouton « Information » affiche les équations utilisées pour calculer chaque valeur d’interpolation jusqu’à l’obtention du résultat final.
Le bouton « Dimensions » permet de choisir entre une interpolation linéaire unidimensionnelle ou bidimensionnelle.
Les sélecteurs « Données » et « Calculer » facilitent la saisie des données. Les tableaux sont généralement organisés par pression et température ; au moins l’une de ces variables fera donc partie des données.
Par exemple, supposons que nous souhaitions interpoler l’entropie en deux dimensions et que nous disposions de tableaux de vapeur surchauffée à des pressions de 400 et 600 kPa, organisés par température. Dans ce cas, comme illustré dans l’image ci-jointe, nous sélectionnerions « P » comme premier point de données, puisque les tableaux correspondent à une pression fixe, et « T » comme second point de données, puisque les tableaux correspondent à des températures différentes. Dans « Calculer », nous sélectionnerions « s », car il s’agit de la variable que nous souhaitons calculer. Grâce à cette configuration, les noms des variables nécessaires à l’interpolation seront automatiquement renseignés, ce qui simplifie grandement la saisie des données.
Une fois la configuration terminée, il suffit de saisir les données requises ; l’interpolateur calculera automatiquement le résultat de l’interpolation.
Enfin, un panneau en bas de l’écran affiche les données manquantes pour l’interpolation ainsi que les éventuelles erreurs. Ces erreurs peuvent inclure des nombres mal saisis ou des données hors de la plage d’interpolation (c’est-à-dire des extrapolations).
Les propriétés de saturation sont un élément récurrent dans les calculs relatifs aux substances réelles.
Le menu « Plus d’options > Saturation » affiche un panneau permettant de calculer rapidement ces propriétés.
Il est à noter que les propriétés de saturation peuvent également être facilement calculées dans la fenêtre principale. Il suffit d’afficher la propriété « Titre de vapeur » et de calculer un état en fonction de cette propriété et de toute autre propriété. Les valeurs correspondent à un liquide saturé lorsque le titre de vapeur est égal à zéro, et à une vapeur saturée lorsque le titre de vapeur est égal à un.
Le panneau « Propriétés de saturation » comporte d’abord un sélecteur permettant d’indiquer si vous souhaitez saisir une valeur pour un liquide saturé ou une vapeur saturée. Un autre sélecteur permet ensuite de choisir le type de propriété à calculer ; vous pouvez alors saisir sa valeur dans le champ de texte adjacent.
Grâce à cette configuration, l’état de saturation correspondant est calculé et les valeurs des propriétés pour les états liquide et vapeur saturés s’affichent automatiquement en bas du panneau.
Il est important de noter que certaines substances sont des mélanges zéotropiques et, par conséquent, ne conservent pas une température constante lors d’un changement de phase à pression constante. Cette variation est appelée « température de glissement » et est reflétée dans ce panneau, car les valeurs de température pour le liquide saturé et la vapeur saturée ne coïncident pas.
Il arrive qu’une substance modifie sa vitesse ou son altitude, ou subisse une dissipation ou d’autres transferts d’énergie qui altèrent les résultats d’un modèle de procédé de base.
Dans ces cas, le bilan énergétique permet de déterminer les propriétés du procédé.
Dans Thermonator, il est courant d’utiliser un procédé « Inconnu » d’un état initial à un état final quelconque, sans restriction, puis de déterminer ses propriétés dans la fenêtre « Bilan énergétique ». Toutefois, si le type de procédé est connu, vous pouvez également créer n’importe quel type de procédé et déterminer les modifications qu’il a subies dans cette même fenêtre.
Le menu « Plus d’options > Bilan énergétique » affiche la fenêtre permettant de modifier le bilan énergétique de n’importe quel procédé.
Il est important de noter que les propriétés et les équations affichées dans cette fenêtre varient en fonction de la configuration définie pour l’exercice : système de contrôle, convention de signes, etc.
La première étape consiste à sélectionner le processus dont on souhaite modifier le bilan énergétique. Tout type de processus peut être sélectionné, bien que le type « Inconnu » soit plus courant dans ce cas, car il permet de définir indépendamment les états initial et final, sans aucune restriction entre eux. Une fois le processus sélectionné, ses propriétés apparaissent dans les sections suivantes.
La deuxième étape consiste à modifier les propriétés du processus, notamment ses états initial et final.
Dans les systèmes fermés, on peut modifier l’énergie interne des états, et dans les systèmes ouverts, l’enthalpie – c’est-à-dire la propriété qui influence le bilan énergétique. Dans les deux cas, une seconde propriété est fournie, qui restera constante, afin de permettre le calcul du nouvel état lorsque l’énergie interne ou l’enthalpie est modifiée.
Les énergies cinétique et potentielle, la vitesse et la hauteur de l’état peuvent également être modifiées. Modifier l’énergie cinétique modifie automatiquement la vitesse, et inversement, car elles sont liées. Il en va de même pour l’énergie potentielle et la hauteur.
Enfin, la masse, la chaleur, le travail, le travail technique (ou dilatation) et le travail dissipatif peuvent être modifiés. Dans le cas d’un processus « Inconnu », ces propriétés ne sont pas définies par défaut. Il est donc nécessaire de les fixer à zéro ou à la valeur déterminée par l’exercice en cours de résolution.
La troisième section affiche les résultats des modifications apportées.
Incréments d’énergie partiels ajoutés au bilan total : augmentation de l’énergie interne ou de l’enthalpie, augmentation de l’énergie potentielle et augmentation de l’énergie cinétique.
Équation du bilan énergétique, conformément à la configuration de l’exercice. Si le bilan n’est pas respecté, le bouton « Résoudre » permet de sélectionner une propriété à ajuster automatiquement pour l’obtenir.
Équation du travail aux limites, conformément à la configuration de l’exercice. Si cette équation n’est pas respectée, le bouton « Résoudre » permet de sélectionner une propriété à ajuster automatiquement pour l’obtenir.
Le panneau inférieur affiche les erreurs de configuration de cette fenêtre, ainsi qu’un bouton « Appliquer » qui est activé lorsque tous les calculs sont corrects. En cliquant sur le bouton « Appliquer », les paramètres définis dans cette fenêtre sont appliqués au processus initial sur l’écran principal.
Les échangeurs de chaleur et les chambres de mélange sont des dispositifs très courants dans les systèmes thermodynamiques. C’est pourquoi Thermonator propose une interface dédiée permettant de calculer rapidement les processus mis en œuvre dans l’échangeur de chaleur.
Le menu « Plus d’options > Échangeurs de chaleur » affiche une liste d’échangeurs de chaleur et de chambres de mélange.
La liste des échangeurs de chaleur comprend quatre types :
Échangeur de chaleur générique : Échangeur de chaleur personnalisé avec un nombre variable d’entrées, de sorties et de fluides impliqués dans l’échange d’énergie.
Échangeurs de chaleur fermés : Turbine à gaz et échangeur de chaleur fermé à deux entrées.
Échangeurs de chaleur ouverts (chambres de mélange) : Échangeurs de chaleur ouverts à deux et trois entrées.
Échangeur de chaleur mixte à trois entrées.
En cliquant sur le nom de chaque type, vous accédez à son schéma, au nombre d’entrées et de sorties, ainsi qu’au graphique thermodynamique des processus mis en jeu.
En cliquant sur le bouton situé à droite du nom, vous ouvrez la fenêtre de calcul de chaque échangeur de chaleur.
Dans la fenêtre de calcul de l’échangeur de chaleur, le schéma, le type et le diagramme de l’échangeur apparaissent en haut, servant de référence lors de la configuration et des réglages.
La première étape du calcul consiste à sélectionner les processus de l’échangeur. Tous les processus doivent être isobares et respecter d’autres conditions spécifiques à l’échangeur sélectionné. Par exemple, la température minimale d’un processus exothermique ne peut jamais être inférieure à celle des processus endothermiques. Dans le cas de chambres de mélange, les processus doivent partager un état commun, qui correspond à l’état de sortie de la chambre.
La deuxième étape consiste à ajuster le bilan énergétique de l’échangeur, en veillant à ce que la somme des variations d’enthalpie des processus impliqués soit nulle. Pour ce faire, les enthalpies massiques, d’entrée et de sortie de chaque processus peuvent être modifiées. Les variations d’enthalpie de chaque processus et le bilan énergétique global de l’échangeur sont ensuite calculés automatiquement.
La troisième étape consiste à ajuster le bilan massique des branches du cycle auxquelles appartient l’échangeur de chaleur. Cette section affiche tous les états du cycle avec leurs ramifications, vous permettant ainsi de modifier les masses des ramifications non ajustées à l’étape précédente.
Une fois le processus terminé, le panneau inférieur contient le bouton « Appliquer » pour transférer les modifications au système thermodynamique de l’écran principal. En cas d’erreur, ce même panneau affichera le problème et le bouton « Appliquer » sera désactivé afin d’empêcher la saisie de données incorrectes dans le système.
Nous savons déjà effectuer tous les calculs. Nous avons appris à configurer notre exercice, à créer le système thermodynamique à partir de nos données et à réaliser les calculs nécessaires. Il est maintenant temps d’analyser les résultats obtenus et de les consigner dans notre devoir ou notre rapport. Les menus « Résultats » et « Partager » sont conçus à cet effet.
Le menu « Plus d’options > Résultats > Résumé » affiche des informations sur tous les éléments thermodynamiques que nous avons calculés.
Dans cette fenêtre, la première section affiche les paramètres de l’exercice, c’est-à-dire les paramètres utilisés pour calculer les propriétés thermodynamiques. Il est important de noter que des paramètres différents donneront des valeurs de propriétés différentes.
Ensuite, les deuxième et troisième sections affichent respectivement les propriétés des états et des processus thermodynamiques. Afin d’éviter une surcharge d’informations, seules les propriétés sélectionnées par l’utilisateur dans la fenêtre « Afficher les propriétés » sont affichées.
La dernière section affiche les propriétés des cycles calculés. Un cycle peut être fermé, mais il peut également être constitué d’un ou deux processus seulement, c’est-à-dire un « cycle ouvert ». Ainsi, les sommes des propriétés des processus adjacents sont toujours affichées. Comme dans les sections précédentes, seules les propriétés sélectionnées par l’utilisateur dans la fenêtre « Afficher les propriétés » sont affichées.
Le menu « Plus d’options > Résultats > Calculs » affiche des informations sur les équations et les procédures utilisées pour calculer tous les états et processus thermodynamiques du graphique.
Cette fenêtre contient des explications détaillées pour le calcul des propriétés des états et des processus. Elle est utile pour vérifier les résultats lors de la réalisation manuelle de ces mêmes opérations. Veillez à respecter les unités : les valeurs des propriétés doivent être exprimées dans les mêmes unités que celles des équations. Notez également que les paramètres de l’exercice déterminent les équations utilisées et, par conséquent, les résultats.
La première section explique comment les états ont été calculés. La procédure de calcul dépend de la substance considérée et de l’état de référence défini pour cette substance ; ces informations sont donc présentées en premier. Chaque état est ensuite défini par deux propriétés, à partir desquelles les équations permettant de calculer les autres propriétés sont présentées. Dans le cas d’un gaz parfait, les équations sont simples et les calculs peuvent être suivis étape par étape. Dans le cas d’un gaz parfait, la chaleur spécifique est calculée à partir d’une fonction complexe de la température ; ces calculs seront donc indiqués sous la forme cp = f(T). Dans le cas de substances réelles, toutes les équations utilisées sont complexes ; seule la procédure est donc présentée.
La deuxième section présente les calculs nécessaires à la détermination des propriétés du processus. Le système de contrôle est présenté en premier, car l’équation utilisée pour calculer le travail des processus en dépend. Pour chaque processus, l’algorithme utilisé pour calculer ses incréments d’énergie interne et d’enthalpie est présenté, ainsi que la manière dont, à partir de ces valeurs et selon le type de processus, la chaleur et le travail de ce processus peuvent être calculés.
Le menu « Plus d’options > Résultats > Bilans » affiche les résultats des bilans de masse, d’énergie et d’entropie, ainsi que le travail aux limites des processus.
Il est important de noter que les équations et les valeurs des bilans dépendent de la configuration de l’exercice. Par conséquent, assurez-vous d’avoir la configuration correcte avant de consulter ces valeurs.
La première section présente le bilan massique pour chaque état thermodynamique, en tenant compte des masses des processus entrant et sortant de cet état. Lors du calcul d’un système de contrôle de masse, le bilan vérifie que la masse initiale de l’état est égale à sa masse finale. Lors du calcul d’un volume de contrôle, le bilan vérifie que la masse entrant dans l’état est égale à sa masse sortante. Il existe des cas particuliers, tels que les états finaux d’un cycle ouvert (les états où un cycle commence et se termine), où le bilan massique n’est pas applicable.
La deuxième section vérifie le bilan énergétique selon le premier principe de la thermodynamique pour chaque processus. L’équation utilisée pour le bilan énergétique dépend de la configuration de l’exercice, et plus précisément du système de contrôle et de la convention de signes sélectionnée.
La troisième section présente le travail aux limites pour chaque processus. Cette vérification est utile lorsque le processus implique un travail dissipatif et/ou des augmentations de son énergie cinétique ou potentielle, propriétés gérées dans la fenêtre « Bilan énergétique ».
La dernière section présente le bilan d’entropie pour chaque processus. Il est important de rappeler que, pour vérifier cet équilibre, les unités de température utilisées dans le calcul doivent être absolues, c’est-à-dire Kelvin ou Rankine.
Le menu « Plus d’options > Partager » contient des sous-menus permettant d’exporter vos résultats vers d’autres applications.
Selon le sous-menu sélectionné, vous partagerez soit du texte, soit une image :
Résumé : Texte présentant la configuration et les propriétés des états, processus et cycles.
Calculs : Texte présentant la configuration et les équations de calcul des états et processus.
Bilans : Texte présentant les bilans de masse, d’énergie et d’entropie, ainsi que le travail aux limites.
Sélection : Texte présentant les états et processus sélectionnés sur l’écran principal.
Graphique : Image du graphique principal et de ses échelles.
Écran : Image de l’écran principal.
Thermonator : Texte contenant le lien de téléchargement de Thermonator.
Après avoir sélectionné le texte ou l’image à partager, une boîte de dialogue s’affiche vous invitant à choisir l’application vers laquelle exporter ces données. Ces applications étant installées sur votre téléphone mobile, elles peuvent varier d’un utilisateur à l’autre : Mail, WhatsApp, Facebook, Instagram, X, TikTok, Reddit…
