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BTS et 1er cycle universitaire
 

Introduction aux cours de Thermodynamique

 Sommaire
 1. Mise en page et contenu
 2. Programme et bibliographie
 3. Cours et téléchargement
 Bibliographie

sendmail.gif (951 octets) Christophe.Haouy@ac-nancy-metz    mise à jour 2009

1. Mise en page et contenu des cours :
Ces cours de thermodynamique (numérotés de 1 à 7) s'adressent à des étudiants dont le niveau scientifique s'arrête au calcul d'une intégrale simple, de base : ∫(1/x)·dx est le maximum que l'on peut exiger. Ce cours n'est donc pas un exposé détaillé destiné à former des spécialistes de thermodynamique mais essaye d'en présenter de manière aussi épurée que possible les notions fondamentales. Certaines notions restant encore vagues dans les premiers cours sont, dans les cours suivants, généralement affinées voire rectifiées. Chaque cours est suivi d'exercices illustrant les notions abordées. Ces exercices sont indispensables pour maîtriser le cours. Les étudiants qui liront (et comprendront) le cours sans faire les exercices resteront néanmoins incapables de résoudre les problèmes simples de thermodynamique ; un cours n'est pas une émission télévisée qui se termine à la fin de l'exposé. Il doit s'assimiler, et cela passe nécessairement pas la résolution des exercices qui exposent également une manière de présenter un problème concret.
Remarques :
- l'auteur, professeur agrégé de physique appliquée, n'est pas un spécialiste de thermodynamique ; le but de ces documents est de proposer un support de cours avec applications pour des étudiants en STS Industriels.

-Des transparents sont disponibles pour chaque cours. Le format pdf des fichiers est nécessaire pour respecter une mise en page identique d'un ordinateur à l'autre. Pour lire ces fichiers vous pourrez utiliser gratuitement le logiciel Adobe Acrobat Reader (disponible sur le site
http://www.adobe.com/acrobat/ ). Certaines figures du cours passent assez mal en visualisation sous Acrobat Reader (essentiellement les dessins qui comportent des couleurs en transparence), cependant ces dessins sont correctement reproduits à l'impression.

2. Programme et bibliographie.

Le programme de thermodynamique des BTS (et 1er cycle universitaire en général) est vaste puisqu'il s'agit souvent d'amener les étudiants à comprendre le principe de fonctionnement des machines thermiques dithermes (réfrigérateurs, moteurs thermiques en contact avec 2 sources de chaleurs).

Les ouvrages de thermodynamique disponibles dans le commerce sont pratiquement tous destinés à des élèves de classes préparatoires ou à des étudiants dont le niveau mathématique est déjà relativement élevé ; créer un cours de thermodynamique pour des étudiants de BTS n'a pas été facile, surtout que des contraintes de temps s'imposent (1 heure par semaine consacrée à la thermodynamique en BTS Maintenance, ce qui donne 30 heures environ dans l'année)…et il est souvent nécessaire de ne pas trop approfondir pour ne garder à l'esprit que l'essentiel. On peut consulter des anciens manuels de cours de mécanique destinés aux élèves de Terminale F1 (nouvellement "génie mécanique") dans lesquels la thermodynamique était encore au programme. Pour les ouvrages récents, voir la biblio en fin de page .

3. Cours
 
Cours n° 1 : Température et chaleur.
Comme la thermodynamique (dans son sens restreint) étudie les interactions chaleur/mouvement, il est nécessaire d'aborder la première notion essentielle : la chaleur (transferts thermiques), qu'il faut absolument dissocier de la notion de température.

Cours n° 1 Transparent n°1  Corrigés exercices du cours 1
 
Cours n° 2 : Travail et diagrammes P(V).
Voici la deuxième notion fondamentale de thermodynamique. Les étudiants connaissent déjà la notion de travail en mécanique, il s'agit ici d'adapter cette notion à la thermodynamique et de remarquer l'utilité d'un diagramme P(V) pour calculer le travail échangé lors d'une transformation thermodynamique. Ce cours ne fera intervenir que les travaux dus aux seules forces extérieures de pression. En particulier les travaux obtenus à partir des forces intérieures au système (travail dit "indiqué") ne sont pas abordés, en particulier les turbines ne sont pas étudiées (il ne s'agit que d'une introduction à la thermodynamique, rappelons-le). En outre l'énergie cinétique et potentielle des corps sera négligée devant les travaux et chaleurs échangées, ce qui exclut l'étude des tuyères. Dans ce cas seuls les compresseurs à piston seront étudiés (moteur thermiques, pompes à chaleur, réfrigérateurs).

Cours n° 2 Transparent n°2  Corrigés exercices du cours 2 
 
Cour n°3 : Les quatre transformations thermodynamiques de base. Le premier principe de la thermodynamique.
Une fois que la chaleur et le travail ont bien été définis, on peut aborder le premier principe de la thermodynamique qui nous explique les échanges d'énergie thermique (la chaleur) et mécanique (le travail). Avant tout, on s'aperçoit que les transformations les plus compliquées peuvent essentiellement se décomposer en une succession de transformations de base : la transformation adiabatique, la transformation isobare, la transformation isochore et la transformation isotherme. Des transparents abordent de façon simpliste la manière d'effectuer ces quatre transformations.

Cours n° 3  Transparent n°3  Corrigés exercices du cours 3 
 
Cours n° 4 : Chaleur, travail et énergie interne des gaz parfaits.
Les trois cours précédents permettent d'observer ce qu'il se passe pour les gaz dont le comportement est simplifié à l'extrême : les gaz parfaits.

Cours n° 4 màj.sept.08  Transparent n°4 Corrigés exercices du cours 4 
 
Cours n° 5 : Transformations quasi-statiques. Le deuxième principe de la thermodynamique.
Les quatre cours précédents nous ont permis de nous familiariser avec les notions de travail, chaleur, énergie interne et gaz parfait. Ce cours permettra d'aborder le fonctionnement des machines thermiques en nous expliquant que tout n'est pas possible en termes d'échange d'énergies.

Cours n° 5  Transparent n°5  Corrigés exercices du cours 5 

Réversibilité : à propos du 2nd principe de la thermodynamique (fichier PDF) dont l'objectif est de faire comprendre que tout n'est pas si simple en pédagogie …

 
Cours n° 6 : Changement d'état des corps purs.
Dernier passage obligé pour comprendre le fonctionnement des machines thermiques avec changement de phase, ce cours aborde les notions élémentaires de changement de phase. Les exercices en fin de cours nous présentent le fonctionnement élémentaire d'une cocotte - minute ; il est recommandé tout particulièrement le paragraphe spécial sur la météo.

Cours n° 6   Corrigés exercices du cours 6
 
Cours n° 7 : Les machines thermiques dithermes.
Ce cours, aboutissement du programme des BTS Maintenance, illustre le principe de fonctionnement des moteurs thermiques, des réfrigérateurs et des pompes à chaleur. Les exercices présentent de nombreux sujets de thermodynamique donnés à l'examen de BTS Maintenance et résument ce que l'étudiant moyen de 1er cycle universitaire doit pouvoir savoir faire.

Cours n° 7  Transparent n°7 Corrigés des exercices.

Télécharger l'ensemble des cours et exercices (4,5 Mo)

Ces cours ont été créés avec autant de soin que possible, mais une coquille n'est pas exclue : toute critique de ces cours sera la bienvenue.
Contact :  Christophe HAOUY

  exemple : cours sur les machines thermiques

Bibliographie :

Introduction à la thermodynamique, de Claire Lhuillier et de Jean Rous, collection 1er cycle universitaire, éditions DUNOD, 1994. Cet ouvrage évite le formalisme mathématique (trop souvent présent en thermodynamique) et donne des exemples concrets d'illustrations du cours. Il s'agit de spécialistes en Thermodynamique (laboratoire de Physique théorique de Jussieu).
Les machines transformatrices d'énergie, tome 1, par G. Lemasson, collection cours de Mécanique R. Basquin, éditions DELAGRAVE, 1963. Beaucoup de diagrammes accompagnent ce cours. L'ouvrage est vieux mais très abordable pour les BTS.
Pour ma part j'ai consulté beaucoup d'ouvrages de classes préparatoires aux grandes écoles. Entres autres :
Toute la thermodynamique, la mécanique des fluides et les ondes mécaniques, cours et exercices corrigés, classes préparatoires MPSI-PCSI, MP-PC-PSI, par L. Bocquet, J.P. Faroux et J. Renault.. Editions Dunod 2002.
Thermodynamique, 2ème année PT – PT*. Gérard DAREAU, Georges ROUSSELET. Collection taupe-niveau. Editions Ellipses. 1998. Ce livre est d'un abord théorique élevé. Les rédacteurs se sont spécialisés dans la thermodynamique technique.
Thermodynamique, problèmes résolus, 3ème édition, par Hubert Lumbroso, Mc Graw-Hill, 1984.
Physique statistique. Cours de physique de Berkeley, volume 5. Armand Colin, 1994.
Cours de Physique de Feynman, mécanique 2. Dunod, 1979.
Atlas de la Physique, par Hans Breuer, collection Encyclopédie d'aujourd'hui. Livre de Poche, 1997. Je ne connais cependant pas la formation scientifique du (ou des) rédacteur(s). Certaines explications me paraissent erronées (le phénomène de cavitation dans les robinets domestiques par exemple).
Nouvelle encyclopédie pratique de mécanique, tome 1, par Henri DESARCE, librairie Aristide Quillet, 1949. Cet ouvrage (évidemment épuisé) est une bible d'informations…sa vieillesse garantit l'utilisation de schémas ou de gravures qui représentent les machines thermiques à une époque où la photo n'était pas d'usage courant dans les livres, ce qui nécessite forcément une "épuration" du dessin qui présente l'essentiel et non le superflu. En outre les systèmes mécaniques sont clairement exposés.


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