propriÉtÉs des substances pures (chapitre 3) professeur
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PROPRIÉTÉS DES SUBSTANCES PURES
(Chapitre 3)
Professeur Marcel LacroixUniversité de Sherbrooke
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Mots clés• Substance pure• Phases: solide, liquide et gaz• Liquide comprimé, liquide saturé, mélange
saturé, vapeur saturée, vapeur surchauffée (eau, réfrigérant R-134a, ammoniac)
• Diagrammes de phase• Tables de variables thermodynamiques• Gaz parfaits
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M. Lacroix Substances pures 3
OBJECTIFS
• Définir les propriétés de substances pures.
• Comprendre et utiliser les tables de variables thermodynamiques.
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SUBSTANCE PURE: DÉFINITION• Composition chimique stable et homogène. • Peut exister sous différentes phases mais sa
composition chimique est la même dans chaque phase (solide,liquide,gaz).
SOLIDE LIQUIDE GAZ
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Variables thermodynamiques
• L’état d’un système thermodynamique est décrit par ses variables thermodynamiques.
• Pour les substances compressibles comme l’eau, les réfrigérants et l’air, deux variables intensives indépendantes sont suffisantes pour décrire l’état du système (postulat d’état).
• Les variables sont déterminées à l’aide de:-tables (substances compressibles)-équation d’état (gaz)-tableau (solide).
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LIQUIDE SOUS REFROIDI
LIQUIDE SATURÉ (x=0)
MÉLANGE LIQUIDE/VAPEUR SATURÉ (0<x<1)
VAPEUR SATURÉE (x=1)
VAPEUR SURCHAUFFÉE
Diagramme T-v
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Diagramme T-v
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Diagramme T-v
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Courbe de saturation d’une substance pure)( satsat TfP =
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M. Lacroix 11
Effet de la pression atmosphérique
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Diagramme P-v Eau: liquide comprimé.
Psat=476 kPa à 1500C
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Diagramme P-T
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Eau
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VARIABLES THERMODYNAMIQUES D’UNE SUBSTANCE PURE
1. Volume massique: (m3/kg)
2. Énergie interne: (kJ/kg)
3. Enthalpie: (kJ/kg)
4. Entropie: (kJ/kg K)
ν
u
νpuh +=
s
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ÉNERGIE INTERNE (kJ/kg)
Énergie interne = somme de toutes les formes d’énergie à l’échelle microscopique:
1. Énergie sensible: vibration, rotation et translation moléculaire.
2. Énergie latente: changement de phase de la substance.
3. Énergie chimique: liaisons entre les atomes différents.
4. Énergie nucléaire : liaisons entre les nucléons.
u
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ENTHALPIE (kJ/kg)
• L’enthalpie est définie comme:
• Variable rencontrée fréquemment dans les systèmes mettant en jeu des écoulements.
h
pvuh +=(kPa) (m3/kg)(kJ/kg)
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M. Lacroix Substances pures 19
ENTROPIE (kJ/kgK)
• Entropie: mesure du désordre d’un système à l’échelle microscopique.
• Variable qui découle naturellement de la 2ème
loi de la thermodynamique.• Variable fort utile dans le calcul des évolutions
de diverses machines thermiques (moteurs, turbines, pompes, compresseurs, etc.).
s
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Tables thermodynamiques de l’eau:Tables A.4, A.5, A.6 et A.7
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État d’une substance pure à saturation(Eau: Tables A.4 et A.5)
• La pression et la température ne sont pas indépendantes.
• Deux variables indépendantes telles la pression et le volume massique ou la pression et le titre sont requises pour déterminer l’état de saturation d’une substance pure.
)____()__(
liquidedemassevapeurdemassevapeurdemassex
+=TITRE:
10 ≤≤ x
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M. Lacroix Substances pures 22
Variables de l’eau à saturation:
température connue
Table A.4
fg xx φφφ ⋅−+⋅= )1(
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Vapeur d’eau à saturation: température A.4
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Vapeur d’eau à saturation: pression A.5
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Vapeur surchauffée A.6
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Liquide comprimé A.7
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M. Lacroix Substances pures 27
Liquide comprimé
• Table A.7• Sinon
);(;;;
,,,
,
,
,
TsatTfTf
Tf
Tf
Tf
PPvhhssuuvv
−+≈
≈
≈
≈
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Autres tables thermodynamiques
• R-134a: Tables A.11, A.12 et A.13;
• Ammoniac: Tables A.28, A.29 et A.30.
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Fluide réfrigérant: R-134a
Température (0C) Pression (kPa)24 646,18
-26,37 100
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Butane C4H10
Température (0C) Pression (kPa)27 258
-0,5 101
Propane C3H8
Température (0C) Pression (kPa)27 1 000
-42,0 101
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Éthane C2H6
Température (0C) Pression (kPa)27 4 354
-88,5 101
Méthane CH4
Température (0C) Pression (kPa)-82 4 640
-161,0 101
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M. Lacroix Substances pures 32
ÉQUATION D’ÉTAT GAZ PARFAIT
• Alternative aux tables pour relier la pression, la température et le volume massique.
• Équation d’état la plus simple.
TRP =ν(kPa)
(m3/kmole) (8,314 kJ/kmoleK)
(K)
RTP =ν(kPa)
(m3/kg) (kJ/kgK)
(K)
MRR =
Masse molaire (kg/kmole)
AIR
M=28,97 kg/kmole;
R=0,287 kJ/kgK
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M. Lacroix Substances pures 34
POINTS CRITIQUES
SUBSTANCE TEMPÉRATURE (K)
PRESSION (kPa)
Air 133 3 770
Dioxyde de carbone 304 7 390
R-134a 374 4 059
Eau 647 22 060
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FACTEUR DE COMPRESSIBILITÉ
RTPvZ =
crr
crr
TTT
PPP
=
=
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FACTEUR DE COMPRESSIBILITÉ: CONCLUSIONS
• À basses pressions, , les gaz se comportent comme des gaz parfaits peu importe la température.
• À hautes températures, , les gaz se comportent comme des gaz parfaits peu importe la pression.
• L’écart avec la loi des gaz parfait est maximal au voisinage de la pression critique.
1<<rP
2>rT
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M. Lacroix Substances pures 37
FACTEUR DE COMPRESSIBILITÉ:CORRECTION À LA LOI DES GAZ
PARFAITS
ZRTP =ν(kPa)
(m3/kg) (kJ/kgK)
(K)
parfait
corrigéZνν
=où
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M. Lacroix Substances pures 38
Gaz parfait vs gaz réel
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M. Lacroix Substances pures 39
PEUT-ON CONSIDÉRER LA VAPEUR D’EAUCOMME UN GAZ PARFAIT?
• À des pressions inférieures à 10kPa, la vapeur d’eau peut être considérée comme un gaz parfait.
• Air climatisé: La vapeur d’eau peut être considérée comme un gaz parfait. Dans ces applications, la pression de la vapeur d’eau demeure inférieure à 10 kPa.
• Cycles de vapeur: Les pressions en jeu sont beaucoup plus élevées que 10 kPa. Dans ce cas, les Tables thermodynamiques sont utilisées.
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M. Lacroix Substances pures 40
Vapeur d’eau, un gaz parfait pour des pressions inférieures à 10 kPa.