Énergie et environnement

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1 Énergie et environnement
L3 – Génie de l’environnement Cyril AUBAUD Institut de Physique du Globe de Paris 1 rue Jussieu – Bureau 516 (5ème étage) aubaud <at> ipgp.fr Tel. :

2 Structure générale du cours
Énergie: ressources, conversion, utilisation (2 cours) Sources d’énergie et vecteurs énergétiques (4 cours) 3. Acoustique environnementale (1 cours) Un partiel (1 heure) Examen final (2 heures)

3 Infos pratiques Emploi du temps Evaluation
- 8 Cours + 8 TD : jeudi (vendredi) (2h + 2h) Total = 36h (cours + TD + examens) Evaluation - Contrôle continu (partiel): 50 % - Examen écrit: 50% (jeudi 16 avril 2015)

4 Énergie: ressources, conversion, utilisation
1.1. Introduction 1.2. Consommation des ressources 1.3. Préservation de l’énergie 1.4. Conversion d’énergie 1.5. Transferts thermiques 1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques

5 Facteur essentiel pour la vie de l’homme (moderne industrialisé)
1.1. Introduction Facteur essentiel pour la vie de l’homme (moderne industrialisé) Pour la satisfaction des besoins d’alimentation; Pour l’amélioration du confort du cadre de vie; Pour le développement des sociétés organisées: - Production de biens; - Développement des réseaux de communication. L’énergie est un intrant d’un processus général appelé Production de biens et de services

6 Mais comment l’obtenir ou la fabriquer ?
1.1. Introduction Mais comment l’obtenir ou la fabriquer ? Premier principe de la thermodynamique : L’énergie ne peut être ni créée, ni détruite. Mais on peut la transformer. Comment convertit-on l’énergie ? Pour quel rendement de conversion ? Comment améliorer les systèmes de conversion de l’énergie? Variation d’énergie totale du système travail chaleur

7 Problèmes liés à l’utilisation de l’énergie
1.1. Introduction Problèmes liés à l’utilisation de l’énergie 1 - Les principales formes d’énergie utilisées sont des énergies non renouvelables : Y en a-t-il assez pour nous tous ? Y en a-t-il assez pour les générations futures ? Quel est le prix réel de l’énergie consommée ? 2 - L’exploitation de certaines ressources amènent des problématiques environnementales et sociétales : Pollutions de la biosphère, de l’hydrosphère et de l’atmosphère; Pluies acides, destruction de la couche d’ozone, effet de serre; Impacts sur les paysages et les populations (barrages hydro.); Epuisement des ressources : - Exploitation de nouvelles ressources - Innovations technologiques (plus cher)

8 De la prise de conscience vers la prise de décisions politiques
1.1. Introduction De la prise de conscience vers la prise de décisions politiques

9 Quantité de travail ou de chaleur qu’un système est capable de fournir
1.1. Introduction Energie Quantité de travail ou de chaleur qu’un système est capable de fournir Bien que l’énergie ne puisse être détruite, nous avons le sentiment qu’en brûlant du pétrole, par exemple, le potentiel énergétique global des générations futures diminue. C’est VRAI, la transformation d’une source d’énergie en chaleur diminue sa qualité; Si toutes les énergies peuvent aboutir sous forme de chaleur, l’inverse n’est pas vrai (notion d’irréversibilité, d’entropie).

10 1 joule = énergie acquise par une masse de 102 g élevé à 1 m
1.1. Introduction Unités d’énergie Le Joule (J) – unité SI 1 joule = énergie acquise par une masse de 102 g élevé à 1 m La calorie (cal) – 1 cal = 4,1868 J chaleur fournie à 1g d’eau pour passer de 14,5oC à 15,5oC à Patm La tonne équivalent pétrole (tep) – 1 tep = 42 GJ énergie calorifique contenue dans 1 tonne de pétrole Le kilowattheure (kWh) – 1 kWh = 3,6 MJ [W]=[J][s-1] énergie consommée par un récepteur de 1kW pendant 1 heure Le British Thermal Unit (BTU) – 1 BTU = ,056 J L’électron-volt (eV) – 1 eV = 1,6022 x J charge portée par 1 électron (q=1,602 x C) subissant une accélération due à une différence de potentielle de 1V.

11 Énergie: ressources, conversion, utilisation
1.1. Introduction 1.2. Consommation des ressources 1.3. Préservation de l’énergie 1.4. Conversion d’énergie 1.5. Transferts thermiques 1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques

12 [Consommation EP] = [EF + pertes + consommation producteurs]
1.2. Consommation des ressources Définitions Énergie primaire (EP) : sources énergétiques non transformées disponibles dans la nature Énergie finale (EF) : énergie utilisée par les consommateurs (chauffage, commerce, industrie, transports…) [Consommation EP] = [EF + pertes + consommation producteurs] - EP permet de mesurer le taux d’indépendance énergétique national - EF permet de suivre la consommation des énergies dans les secteurs

13 Énergie non renouvelable
1.2. Consommation des ressources Définitions Énergie non renouvelable Énergie dérivée de combustibles non renouvelables (pétrole, gaz, charbon, uranium) générés par de très long processus géologiques et existant en quantité limitée sur Terre. Énergie renouvelable Énergie dont la consommation ne limite pas son utilisation future (elles ne sont pas infinies) : énergies solaire, éolienne, hydraulique, géothermique et celles que l’on tire de la biomasse et des déchets.

14 Comparaison entre les EPs et les EFs
1.2. Consommation des ressources Comparaison entre les EPs et les EFs Chaque combustible dispose d’un pouvoir calorifique (PC) = quantité d’énergie dégagée lors de la combustion d’une masse m de combustible (MJ/kg)

15 Les différents pouvoirs calorifiques (PC)
1.2. Consommation des ressources Les différents pouvoirs calorifiques (PC)

16 1.2. Consommation des ressources

17 1.2. Consommation des ressources
xi : fraction massique

18 1 MWh électrique = 3,6 GJ = 0,086 tep
1.2. Consommation des ressources Le cas de l’électricité Pour les combustibles, on utilise le PC, PCI, PCS convertis en tep Pour l’électricité ?? Elle ne brûle pas mais transporte de l’énergie en kWh: 1 MWh électrique = 3,6 GJ = 0,086 tep Cependant, trois cas en fonction du moyen de production de l’électricité : 1- Centrale nucléaire : comptabilisée selon la méthode de l’équivalent primaire à la production avec un rendement théorique de 33% 1MWh = 0,086/0,33 = 0, tep 2- Centrale à géothermie : même méthode avec un rendement de 10% 1MWh = 0,086/0,10 = 0,86 tep 3- Tout autre moyen : comptabilisée selon la méthode du contenu énergétique 1MWh = 0,086 tep

19 Le cas de l’électricité Le bilan en énergie primaire
1.2. Consommation des ressources Le cas de l’électricité Le bilan en énergie primaire L’énergie primaire correspond à des produits énergétiques bruts dans l’état (ou proche de l’état) dans lequel ils sont fournis par la nature : - charbon, pétrole, gaz naturel, bois, déchets combustibles Pour l’électricité on définit l’électricité primaire comme étant celle produite par d’autres moyens que les centrales thermiques classiques : - énergie nucléaire, hydraulique, éolien, photovoltaïque Remarque: pour une même production, l’électricité d’origine nucléaire est comptée 3 fois plus en tep que celle d’origine hydraulique ou éolienne

20 Comparer les énergies : comment et pourquoi ? Comparaison économique
1.2. Consommation des ressources Comparer les énergies : comment et pourquoi ? Comparaison économique - production, consommation (dépendance énergétique, coût,…) Comparaison globale - effet sur l’environnement (émission de CO2, stockage,…) - coût énergétique des conversions/transport/stockage - marché de l’emploi - retour sur investissement - durée de vie des systèmes de conversion - innovations technologiques attendues - contexte international… Définition d’une politique énergétique à long terme - une politique active d’économies d’énergies - limiter les GES (gaz à effet de serre) - développement des énergies renouvelables - maintenir l’option nucléaire ouverte

21 Bilan énergétique de la France en 2011
1.2. Consommation des ressources Bilan énergétique de la France en 2011 115,3 Mtep 0,1 Mtep 0,5 Mtep 1,9 Mtep 15,6 Mtep 5,6 Mtep La production nationale d’énergie primaire est de 138,9 Mtep. Cette production est assurée en grande partie par le nucléaire, mais la contribution des énergies renouvelables est en augmentation depuis 2005: éolien (+ 25%); photovoltaïque (+ 300%); EnRt + déchets (+ 10,7%)

22 Bilan énergétique de la France en 2011
1.2. Consommation des ressources Bilan énergétique de la France en 2011 La consommation nationale d’énergie primaire est de 266,4 Mtep. Solde importateur = 266,4 – 138,9 = 127,5 Mtep. La consommation nationale d’énergie finale est de 156 Mtep (industrie, transport, résidentiel-tertiaire). Consommation non énergétique = fabrication de plastiques, routes, engrais…

23 Indépendance énergétique de la France
1.2. Consommation des ressources Indépendance énergétique de la France Taux d’indépendance énergétique = Production primaire/ Consommation primaire En 2011, le taux d’indépendance énergétique de la France est de 53,5% Il bénéficie de la bonne production électrique nucléaire et éolienne; Note: l’électricité nucléaire est une production nationale, MAIS l’uranium est importé à 99,99%.

24 Le cas de l’électricité
1.2. Consommation des ressources Le cas de l’électricité La production d’électricité progresse de 11 % entre 2010 et 2011 grâce aux productions nucléaire (+13,9TWh), éolienne (+2,3TWh) et photovoltaïque (+1,4 TWh). Nucléaire : 78,7 % Classique (thermique) : 9,8 % Hydraulique : 9 % Eolien : 12,2 % Photovoltaïque : 0,4 %

25 Contribution des énergies renouvelables (1/2)
1.2. Consommation des ressources Contribution des énergies renouvelables (1/2) EnRt : énergies thermiques renouvelables (bois-énergie, résidus agricoles et agroalimentaires, solaire thermique, géothermie, pompes à chaleur, déchets urbains renouvelables, biogaz, biocarburants) EnRé : énergies renouvelables électriques (hydraulique, éolien, photovoltaïque) 2,1 Mtep 1,2 Mtep 8,9 Mtep 1,1 Mtep 3,9 Mtep 2,3 Mtep Production primaire d’énergie EnRt + EnRé = 19,5 Mtep

26 Contribution des énergies renouvelables (2/2)
1.2. Consommation des ressources Contribution des énergies renouvelables (2/2) Part de la production d’énergie primaire d’origine renouvelable = 12% de la production totale

27 Consommation d’énergie primaire
1.2. Consommation des ressources Consommation d’énergie primaire Entre l’énergie primaire et le consommateur final, il y a l’activité de la branche énergie: - raffinage du pétrole - cokéfaction du charbon - activité des centrales thermiques (gaz, pétrole, charbon) - transport et distribution (consommations intermédiaires, pertes) 43,3 % 15,1 % 30,9 % 4,3 % 6,4 %

28 Le pétrole : une ressource critique (1/2)
1.2. Consommation des ressources Le pétrole : une ressource critique (1/2) La consommation de produits pétroliers diminue depuis 2000 en grande partie car : les raffineries et les centrales se tournent vers le gaz (quotas CO2, coût); recherche de solution alternatives dans l’industrie; la consommation du fioul domestique pour le chauffage s’effondre dans le secteur résidentiel-tertiaire (disparu de la construction neuve); « diesélisation » du parc de voitures particulières (avantages fiscaux, meilleur rendement). 70%

29 Le pétrole : une ressource critique (2/2)
1.2. Consommation des ressources Le pétrole : une ressource critique (2/2) En 1950, le pétrole représente 1/3 des ressources énergétiques mondiales consommées. Aujourd’hui le pétrole compte pour 1/2 des ressources consommées dans le monde. L’évolution de la consommation est surtout dictée par l’évolution du prix du baril. Octobre 73: pic de Production US + Embargo pétrolier (1er choc) 5) L’Irak envahit le Koweit (3) (9) 6) Opération « Tempête du Désert » 2) 78-79: Révolution iranienne (2nd choc) 7) L’OPEP réduit sa production (4) 8) Spéculation Epuisement des réserves Crainte du « Peak Oil » «  War on Terror» 3) 81: Dérégulation du prix du pétrole aux US (2) (6) (8) (7) (5) 4) Augmentation de la production des pays de l’OPEP (1) 9) Crise financière de 2008 («  3ième choc»)

30 Consommation d’énergie renouvelable
1.2. Consommation des ressources Consommation d’énergie renouvelable Conséquence de l’instabilité du marché pétrolier, la consommation finale d’EnRt + EnRé est en hausse depuis 2000 : - biocarburants (transports) - pompes à chaleur, bois énergie, solaire thermique (chauffage) La part des énergies renouvelables dans la consommation totale d’énergie primaire est de 7,9% en 2011 contre 8,2 % en 2010; 7,9 % en 2009 et 7,4 % en 2008.

31 Le coût pour la France : économique
1.2. Consommation des ressources Le coût pour la France : économique En 2011, la facture énergétique nationale représente 3,1 % du PIB (soit 61,4 milliards d’euros) contre 46,2 milliards d’euros en 2010 (2,4% du PIB) - solde importateur positif : pétrole, gaz, charbon - solde exportateur positif : électricité A elle seule, la facture énergétique représente 88% du déficit commercial de la France

32 Le coût pour la France : environnemental
1.2. Consommation des ressources Le coût pour la France : environnemental Les émissions de CO2 diminuent sensiblement depuis 2005, grâce : - au développement des énergies renouvelables; - aux efforts en matière d’efficacité énergétique (rendement); - à l’évolution des comportements (prise de conscience, coût); - à la conjoncture économique plus ou moins difficile (transports). Note: le CO2 ne représente que 70 % des gaz à effet de serre produits par l’activité humaine (CH4 - 20%, NOx - 10%)

33 Énergie: ressources, conversion, utilisation
1.1. Introduction 1.2. Consommation des ressources 1.3. Préservation de l’énergie 1.4. Conversion d’énergie 1.5. Transferts thermiques 1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques

34 Le pic de Hubbert (1/2) 1.3. Préservation de l’énergie
1/ La production augmente rapidement car l’extraction est «  facile» (zones d’exploitation à proximité, grandes sources superficielles…) 2/ Puis elle atteint un pic lorsque la moitié des ressources ont été exploitées 3/ Et enfin décline jusqu’à épuisement de la ressource exploitée (zones d’exploitation difficile d’accès, sources petites et très profondes…)

35 Le pic de Hubbert (2/2) 1.3. Préservation de l’énergie
Evolution du taux de production de pétrole aux USA Courbe de production Evolution du taux de production de gaz aux USA Courbe de production Theorie (1940) Theorie (1940) Une théorie qui fonctionne pour les productions de pétrole et de gaz aux USA en période économique prospère…

36 Prévisions pour la production mondiale de pétrole publiées en 2004.
1.3. Préservation de l’énergie Prévisions pour la production mondiale de pétrole publiées en 2004. Prévisions publiées en 2009.

37 Le pic (plateau ?) pétrolier
1.3. Préservation de l’énergie Le pic (plateau ?) pétrolier Réserves de pétrole prouvées (en barils) - source : CIA Le pic pétrolier est très discuté. Il pourrait être atteint à l’horizon 2020.

38 Energie totale consommée
1.3. Préservation de l’énergie Energie totale consommée = énergie requise pour l’activité (intensité) X fréquence de l’activité (a) Fréquence (b) Intensité L’énergie totale consommée est la même dans les cas (a) et (b)

39 1.3. Préservation de l’énergie
Cas (a) : une haute fréquence d’activité est possible car l’énergie requise pour réaliser la tâche est faible; Cas (b) : plus d’énergie est requise pour réaliser la tâche, la fréquence d’activité est donc moindre; (a) Fréquence (b) Intensité Les efforts de préservation de l’énergie se concentrent habituellement sur l’un ou l’autre facteur : La solution technique consiste à utiliser les ressources plus efficacement pour réaliser la même tâche => réduction de l’intensité Le changement de style de vie consiste à utiliser plus consciencieusement les ressources => réduction de la fréquence

40 Ex : venir à la fac en vélo; Prendre les transports en commun…
1.3. Préservation de l’énergie La solution technique est limitée par les lois de la physique, mais il y a encore de la marge pour améliorer cette approche; Ex : remplacer toutes les lampes à incandescence par des lampes fluorescentes, halogènes ou électroluminescentes (LED). Le changement de style de vie n’est pas la solution la plus populaire, pourtant les mentalités évoluent (environnement, coût énergétique) Ex : venir à la fac en vélo; Prendre les transports en commun…

41 Scenarii d’évolution de la demande en énergie
1.3. Préservation de l’énergie Scenarii d’évolution de la demande en énergie Solution technique Changement de style de vie Substitution Déprivation Swenson: « L’humanité va compenser la disparition du pétrole en combinant les solutions techniques, le changement de style de vie et la substitution des énergies non-renouvelables, ce qui lui permettra d’éviter la déprivation »

42 Énergie: ressources, conversion, utilisation
1.1. Introduction 1.2. Consommation des ressources 1.3. Préservation de l’énergie 1.4. Conversion d’énergie 1.5. Transferts thermiques 1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques

43 1.4. Conversion d’énergie Energie et travail Travail = transfert d’énergie réalisé en exerçant une force dont le point d’action se déplace, Travail Force Distance La conséquence de fournir un travail est de donner de l’énergie au système (ex : en soulevant un poids on lui fournit du travail qui lui permet d’acquérir une énergie potentielle);

44 Le travail est donc UN moyen de fournir de l’énergie au système,
1.4. Conversion d’énergie Le travail est donc UN moyen de fournir de l’énergie au système, Autre ex : en poussant un objet en haut d’une colline, on réalise un travail qui lui fournit une énergie cinétique (Ec) et une énergie potentielle (Ep), Mais si la pente est rugueuse, une partie du travail fournit va augmenter l’énergie interne de l’objet (U), NOTE: le travail d’une force peut déformer un corps, modifier sa pression, élever sa température, provoquer des changements d’état physique. L’énergie interne (U) d’un corps est la somme de toutes les énergies qui sont liées à la structure microscopique de ce corps.

45 1.4. Conversion d’énergie Un autre moyen de fournir de l’énergie au système est le transfert thermique (ajout de chaleur). Le sens du transfert thermique s’effectue du corps à la température la plus élevée au corps à la température la moins élevée. Au final, l’énergie d’un système peut être changée en faisant du travail (W) et en ajoutant de la chaleur (Q), NOTE: un travail peut aussi fournir de l’énergie électrique ou chimique, dont les termes devraient alors être ajoutés dans la relation ci-dessus. Puissance = vitesse de transfert d’énergie d’une force qui travaille ou vitesse de consommation de l’énergie, (en Watts = J/s)

46 Principe de conservation de l’énergie
1.4. Conversion d’énergie Principe de conservation de l’énergie Nous avons vu que les seuls moyens de fournir de l’énergie à un système sont l’apport de chaleur (Q) et de travail (W), (premier principe) Dans un système fermé (pas de transfert thermique, pas de travail fourni), cette relation devient : Autrement dit, l’énergie totale d’un système fermé est constante.

47 Exemple : la maison à énergie solaire passive
1.4. Conversion d’énergie Exemple : la maison à énergie solaire passive L’énergie dans le système équivaut à l’énergie perdue + l’énergie stockée. Ce type de maison agit comme un collecteur d’énergie solaire (aucune pompe, aucun ventilateur).

48 Autre exemple : la centrale thermique à charbon
1.4. Conversion d’énergie Autre exemple : la centrale thermique à charbon Ici, l’énergie dans le système = énergie perdue par le système (pas de stockage),

49 Le rendement 1.4. Conversion d’énergie
Bien que l’énergie soit conservée dans ce type de processus, l’énergie utile en sortie est toujours moindre par rapport à l’énergie de départ. Dans le cas de la centrale, seulement une partie de l’énergie stockée dans le combustible est transformée en énergie électrique,

50 Rendements de certaines conversions d’énergie
1.4. Conversion d’énergie Rendements de certaines conversions d’énergie Générateur électrique Moteur électrique Haut fourneau Eolienne Centrale à charbon Centrale nucléaire Moteur de voiture Ampoule fluorescente Ampoule incandescente Cellule photovoltaïque Mécanique -> électrique Electrique -> mécanique Chimique -> thermique Chimique -> thermique -> mécanique -> électrique Nucléaire -> thermique -> mécanique -> électrique Chimique -> thermique -> mécanique Electrique -> rayonnement Rayonnement -> électrique % % % % % % % 20 % 5 % %

51 Rendement global 1.4. Conversion d’énergie
Dans un processus multi-étape, le rendement global correspond au produit de chaque rendement : Il s’agit de l’efficacité globale de la transformation: énergie chimique -> énergie rayonnante

52 1.4. Conversion d’énergie Source Conversion Utilisation

53 mécanique (potentiel, élastique, travail);
1.4. Conversion d’énergie 6 formes d’énergie principales: nucléaire; rayonnante; thermique; chimique; électrique; mécanique (potentiel, élastique, travail); Systèmes de conversion: une vingtaine; Solutions technologiques: une multitude; Nous aborderons seulement quelques exemples.

54 1.4. Conversion d’énergie Exemple 1 : Cycle de l’eau 1 2 3

55 1.4. Conversion d’énergie Exemple 2 : La centrale hydraulique 1 3 2

56 4 2 3 1 5 6 Exemple 3 : La centrale thermique classique
1.4. Conversion d’énergie 4 Exemple 3 : La centrale thermique classique 2 3 1 5 6

57 1.4. Conversion d’énergie

58 Énergie: ressources, conversion, utilisation
1.1. Introduction 1.2. Consommation des ressources 1.3. Préservation de l’énergie 1.4. Conversion d’énergie 1.5. Transferts thermiques 1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques

59 Transferts thermiques: généralités
Transfert thermique = énergie en transit due à une différence de température Trois modes de transfert de chaleur principaux: 1 - Conduction - transport d’énergie dans la matière sans déplacement de matière; - nécessite un milieu solide de transmission (faible dans les gaz); 2 - Convection - transport d’énergie dans la matière avec déplacement de matière; - nécessite un milieu fluide de transmission (liquides, gaz); 3 - Rayonnement - transport d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques; - pas de déplacement de matière, pas de transmission nécessaire.

60 Transferts thermiques: 1 - conduction
La chaleur est transférée par collisions moléculaires du chaud vers le froid. Loi de Fourier : le flux de chaleur (quantité de chaleur transférée par unité de temps) vaut : T = température [K] S = surface (πr2)[m2] λ = conductivité thermique [W][m-1][K-1] L = distance A – B [m]

61 Transferts thermiques: 1 - conduction
Il est parfois plus pratique de travailler en terme de densité de flux de chaleur (φ) = quantité de chaleur transférée par unité de temps par unité de surface (W m-2) Loi de Fourier : Remarques importantes : 1 - l’écart de température provoque un flux de chaleur à travers l’objet. Le loi de Fourier prédit que l’effet (φ) est proportionnel à sa cause (ΔT). 2 - Bien que le flux de chaleur diminue en augmentant l’épaisseur du matériau traversé, la conductivité thermique joue un rôle majeur car elle varie énormément d’un matériau à l’autre.

62 Transferts thermiques: 1 - conduction
Pour réduire la perte de chaleur d’un logement, il est possible : (a) lors de la construction : d’utiliser des matériaux faiblement conducteurs (laine de verre, polystyrène); de réduire la surface de contact entre la maison et l’atmosphère; (b) Au quotidien : - de baisser la température dans la maison…

63 Transfert de chaleur par conduction
1.5. Transferts thermiques Transfert de chaleur par conduction Objectifs : 1/ Calculer le profil de température; 2/ Calculer le flux de chaleur traversant le mur. Hypothèses : pas de stockage, ni de génération d’énergie; T(x=0) = T1 ; T(x = e) = T2 Exemple 1 : le mur simple

64 Transferts thermiques: 2 - convection
La chaleur est transférée par déplacement de fluide du chaud vers le froid. Qconv/t = flux de chaleur [W] h = coefficient de transfert [W m-2K-1] S = surface d’échange [m2] T = température [K]

65 Transferts thermiques: 2 - convection
La valeur du coefficient de transfert de chaleur par convection (h) est fonction de : la nature du fluide; - la température du fluide; la vitesse de déplacement du fluide des caractéristiques géométriques de la surface de contact De plus, le type d’écoulement est important dans la description du problème : - Convection libre : fluide en mouvement à cause de sa flottabilité (DT et gravité); Convection forcée : fluide en mouvement par une cause extérieure à la flottabilité (ventilateur, pompe…); Ecoulement laminaire : lignes de fluide parallèles (convection dans le sens de l’écoulement, conduction parallèlement à l’écoulement); Ecoulement turbulent : pas de direction privilégiée (convection dans toutes les directions).

66 Transferts thermiques: 2 - convection
Exemple 2 : la canalisation cylindrique Objectif : déterminer le coefficient de transfert convectif (h) Flux transféré [W] (= Qconv/t)

67 Transferts thermiques: 2 - convection

68 Transferts thermiques: convection + conduction
Exemple 3 : le mur multicouches Objectifs : caractériser le flux de chaleur entre le fluide 1 et le fluide 2.

69 Transferts thermiques: 3 - rayonnement
Tous les corps, quelque soit leur état : solide, liquide ou gazeux, émettent un rayonnement de nature électromagnétique. Cette émission d’énergie s’effectue au détriment de l’énergie interne du corps émetteur. Le rayonnement se propage de manière rectiligne à la vitesse de la lumière, il est constitué de radiations de différentes longueurs d’onde comme l’a démontré l’expérience de William Herschel :

70 Transferts thermiques: 3 - rayonnement
On retiendra que le rayonnement thermique émis par les corps se situe entre 0,1 et 100 μm. On notera par ailleurs que le rayonnement est perçu par l’homme :

71 εp = facteur d’émission de la surface (émissivité)
1.5. Transferts thermiques Transferts thermiques: 3 - rayonnement La chaleur est transférée par sous forme d’ondes électromagnétiques Principe d’un four solaire φ = flux de chaleur [W] σ = constante de Stefan (5, Wm-2K-4) εp = facteur d’émission de la surface (émissivité) entre 0 et 1 (corps noir) Tp = température de la surface [K] Tinfini = température du milieu [K] S = surface [m2]

72 Énergie: ressources, conversion, utilisation
1.1. Introduction 1.2. Consommation des ressources 1.3. Préservation de l’énergie 1.4. Conversion d’énergie 1.5. Transferts thermiques 1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques

73 L’origine du second principe
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques L’origine du second principe Le premier principe qui stipule la conservation de l’énergie permet de faire le bilan d’énergie des systèmes. Ce principe ne permet pas de prévoir le sens de l’évolution des systèmes. Il n’exclut pas le transfert de la chaleur du froid vers le chaud et n’explique pas l’irréversibilité de certaines transformations spontanées. Il faut donc introduire un second principe permettant de prévoir l’évolution des systèmes. Le second principe introduit une nouvelle fonction d’état dite entropie (S) qui décrit le comportement des systèmes.

74 Transformations irréversibles
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Transformations irréversibles Exemple 1 : la détente d’un gaz - L’état initial est relativement ordonné, mais hautement instable; - L’état final est caractérisé par une répartition homogène des molécules des deux côtés; Cet état est plus désordonné, et surtout il est stable.

75 Transformations irréversibles
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Transformations irréversibles Exemple 2 : le transfert spontané de chaleur - Dans l’état initial les molécules les plus agitées sont à gauche, tandis que les moins agitées sont à droite; Etat instable mais ordonné. - Dans l’état final les molécules plus chaudes diffusent vers la droite et communiquent par chocs une partie de leur énergie aux molécules froides; Etat stable, mais désordonné.

76 Postulats d’irréversibilité
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Postulats d’irréversibilité Les deux systèmes considérés évoluent vers un plus grand désordre pour atteindre un état final stable ou état d’équilibre : => Les transformations irréversibles sont spontanées et elles satisfont la règle d’augmentation du désordre (entropie) des systèmes. On ne cherchera pas à expliquer le sens privilégié des transformations spontanées, mais on va postuler l’irréversibilité des transformations observées expérimentalement :

77 Postulats d’irréversibilité : énoncé de Clausius
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Postulats d’irréversibilité : énoncé de Clausius « Une quantité de chaleur ne peut jamais être transférée spontanément d'une source froide(BT) vers une source chaude (HT). »

78 Postulats d’irréversibilité : énoncé de Kelvin
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Postulats d’irréversibilité : énoncé de Kelvin « Il est impossible de prélever une quantité de chaleur Q d'une source d’énergie et de la transformer intégralement en travail. »

79 Le second principe 1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques
Imaginons un cycle de transformations au cours duquel une machine prélève de la chaleur Q à une source à la température T2<T1 et la cède intégralement à une source à la température T1 : La relation de Clausius-Carnot donne alors : Comme T2<T1 , ce transfert de chaleur est impossible (énoncé de Clausius) et ce cycle est donc irréalisable dans la pratique. On en déduit que pour un cycle réel, il faut que :

80 Conséquences du deuxième principe
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Conséquences du deuxième principe Puisqu'il est impossible d'après ce deuxième principe de prélever de la chaleur d'une seule source de chaleur et de la transformer intégralement en chaleur, une machine thermodynamique doit donc nécessairement fonctionner entre au moins deux sources de chaleur : - la transformation de chaleur en travail (Q => W) à partir d'une source chaude n'est donc possible qu’à la condition de rejeter une partie de la chaleur à une autre source froide (cycle ditherme). cette chaleur rejetée est donc perdue et influera sur les performances de la machine thermique: d'où la notion de rendement thermique.

81 Machines thermodynamiques
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Machines thermodynamiques 1er principe 2nd principe : notion de rendement

82 Choisir son cycle : QH QF
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Choisir son cycle : QH QF

83 Rendement : Utilisation : Cycle de Carnot (1824)
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Cycle de Carnot (1824) Rendement : Utilisation : Cycle thermodynamique (idéal) de référence 1-2 : détente isotherme (V augmente, T constant) 2-3 : refroidissement isentrope (T diminue, Q constant) 3-4 : compression isotherme (V diminue, T constant) 4-1 : chauffage isentrope (T augmente, Q constant)

84 - systèmes de refroidissement
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Cycle de Stirling (1816) Rendement : Utilisation : - systèmes de refroidissement - propulsion de sous-marin centrales électriques Avantages : rendement maximal travail optimum pour un faible rapport de compression Inconvénients : régénération imparfaite long temps de réponse mécanismes complexes 1-2 : chauffage isochore (V = cst) 2-3 : détente isotherme (T = cst) 3-4 : refroidissement isochore (V = cst) 4-1 : compression isotherme (T = cst)

85 très haute température (900oC)
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Cycle de Joule-Brayton (1791) Rendement : Utilisation : moteurs à réaction (turboréacteurs, turbopropulseurs, strato-réacteurs…) centrales à turbine à gaz Avantages : très haute température (900oC) bon rendement (42,5%) Inconvénients : le travail de compression est important 1-2 : compression isentrope (Q = cst) 2-3 : chauffage isobare (P = cst) 3-4 : détente isentrope (Q = cst) 4-1 : refroidissement isobare (P = cst)

86 Rendement : Utilisation : Avantages :
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Rendement : Utilisation : la plupart des machines thermiques Avantages : nécessite peu de travail de compression (1 à 3% du travail fourni par la turbine) Inconvénients : rendement assez faible (37,5%) détente humide non réaliste (corrosion des turbines) => Cycle de Hirn (surchauffe de la vapeur en sortie de chaudière pour réaliser une détente sèche) Cycle de Rankine 1-2 : compression adiabatique (Q = cst) du liquide 2-3 : chauffage isobare (P = cst) du liquide 3-4 : évaporation isobare (P = cst) et isotherme (T = cst) du liquide 4-5 : détente adiabatique (Q = cst) de la vapeur 5-1 : condensation isobare (P = cst) et isotherme (T = cst) de la vapeur

87 Machines dynamo-thermiques
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Machines dynamo-thermiques 1er principe 2nd principe : notion de coefficient de performance

88 1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques
Choisir son cycle machines frigorifiques QH QF

89 1 - la détente isotherme d’un gaz (cycle de Carnot inverse)
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Choisir son cycle Il faut trouver un mécanisme propre à absorber la chaleur. Deux possibilités : 1 - la détente isotherme d’un gaz (cycle de Carnot inverse) 2 - la vaporisation d’un liquide (qui consomme de la chaleur) On privilégie l’option 2 (cycle de Rankine/Hirn inverse) car le rapport de compression est relativement faible. Les machines dynamo-thermiques sont des machines qui transfèrent de la chaleur d’une source froide à une source chaude, moyennant un apport de travail : elles ne sont donc pas des moteurs.

90 Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur

91 Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur 1-2 : compresseur - le gaz frigorigène à BP et BT est aspiré, - l’énergie mécanique apportée par le condensateur permet d’élever P et T

92 Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur : condenseur - le gaz chaud cède sa chaleur au fluide extérieur, - les vapeurs se refroidissent (désurchauffe) puis apparition du liquide, - le liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement)

93 Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur 5-6: détendeur - il abaisse la pression et le fluide se vaporise partiellement pour baisser sa température

94 Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur 6-7-1: évaporateur - le fluide frigorigène entre en ébullition et s’évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur, - dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur (phase de surchauffe).

95 Les fluides frigorigènes
1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques Les fluides frigorigènes On utilise comme fluide de travail des fréons (F12, F22, F502) et du NH3 La production de froid est obtenue par l’évaporation du fluide frigorigène dans l’évaporateur (phénomène endothermique). Des calories sont alors extraites de la source froide. On produit alors des frigories (1fg = 1 kcal) Les fluides frigorigènes sont choisis pour satisfaire aux paliers d’évaporation et de condensation aux températures souhaitées pour l’exploitation de l’installation : Chlorofluorocarbures (C, Cl, F) ou CFC (R 12, R 11, R 502) : interdits Hydrochlorofluorocarbures (C, H, Cl, F) ou HCFC (R 22) : autorisés Hydrofluorocarbures (C, H, F) ou HFC (R 134 A, R 407 C, R 410 A) Fluides très nocifs pour l’environnement (effet de serre, couche d’ozone)

96 1.6. Machines thermodynamiques et dynamo-thermiques
Réfrigérateur Pompe à chaleur Air conditionné Coefficient de performance si T2-T1 est faible, alors le COP est grand