Ingénierie thermique

La thermodynamique étudie les relations entre la chaleur, le travail et d'autres propriétés des systèmes en équilibre. C'est la science de l'énergie. La thermodynamique repose sur quatre lois.

• La loi zéro de la thermodynamique stipule que si deux corps sont en équilibre thermique avec un troisième corps, alors ils sont également en équilibre thermique entre eux.
• La première loi de la thermodynamique , également connue sous le nom de loi de conservation de l'énergie , stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Les seuls moyens de modifier l'énergie totale d'un système fermé sont le travail ou le transfert de chaleur .
• La seconde loi de la thermodynamique , qui pallie les limitations de la première, rend compte de la qualité et de la quantité d'énergie et régit les flux d'énergie entre les systèmes. Selon l'énoncé de Clausius , la seconde loi de la thermodynamique stipule qu'il est impossible pour un système d'agir de telle sorte que le seul résultat soit un transfert d'énergie par chaleur d'un corps froid vers un corps chaud. L' énoncé de Kelvin-Planck est également souvent cité pour expliquer la seconde loi. Il stipule qu'il est impossible pour un système fonctionnant selon un cycle de recevoir de la chaleur d'une source unique et de produire un travail net. Ces deux énoncés impliquent le même résultat, et enfreindre l'un revient à enfreindre l'autre.
• La troisième loi de la thermodynamique stipule que l' entropie d'une structure cristalline pure au zéro absolu est nulle. Cette loi fournit un point de référence pour calculer l'entropie absolue des substances.

La mécanique des fluides se divise en statique des fluides , qui étudie les fluides au repos, et en dynamique des fluides , qui étudie l'effet des forces sur le mouvement des fluides. Parmi les applications courantes de la mécanique des fluides, on peut citer les systèmes de plomberie pour l'eau, le gaz et les eaux usées dans les habitations et les villes, les flux de fluides frigorigènes et les échangeurs de chaleur dans les réfrigérateurs, le transport de carburant et d'autres fluides dans les automobiles , etc.

Le transfert de chaleur est l'une des deux formes d'interactions énergétiques dans un système fermé. Il désigne les interactions dont la force motrice est la différence de température au sein du système. Le transfert de chaleur s'effectue par l'un des trois mécanismes suivants : la conduction , la convection et le rayonnement . La conduction se produit lorsque la chaleur est transférée entre deux parties d'une substance par contact physique, sans déplacement significatif des molécules qui la composent. La convection se produit lorsque la chaleur est transférée par le mélange de fluides, ce qui, contrairement à la conduction, dépend du déplacement des molécules dans le fluide. Enfin, le rayonnement est un transfert de chaleur à travers l'espace ou la matière, et non par conduction ou convection.

Les moteurs thermiques sont des systèmes qui convertissent une partie de l'énergie thermique en énergie mécanique ou électrique grâce à un fluide caloporteur . Leur conception repose sur le concept fondamental des cycles thermodynamiques . Les moteurs thermiques présentent des limitations théoriques et physiques quant à leur rendement de conversion énergétique , appelé rendement thermique . Bien que des exemples de moteurs thermiques existent dans la nature, dans le domaine du génie thermique, il s'agit de dispositifs artificiels utilisés pour produire un travail utile. Selon le lieu de combustion du carburant et la destination des produits de combustion, ces moteurs thermiques artificiels sont classés en deux catégories : les moteurs à combustion interne et les moteurs à combustion externe .

Le développement des moteurs à combustion interne est l'un des domaines spécialisés dans lesquels interviennent les ingénieurs thermiques. Ces moteurs ont des applications variées, mais ils occupent une place prépondérante dans l'industrie des transports, où ils sont utilisés partout, des automobiles aux moteurs à réaction .

Un exemple de moteur à combustion externe est la turbine à vapeur , un composant essentiel des centrales électriques et également utilisée historiquement dans la propulsion et la locomotion marines .

Un échangeur de chaleur est un dispositif qui transfère la chaleur entre des fluides à des températures différentes, sans que ces deux fluides ne se mélangent. Il est utilisé pour des applications de chauffage et de refroidissement. Les condenseurs et les dissipateurs thermiques sont des exemples d'échangeurs de chaleur .

Les échangeurs de chaleur sont souvent utilisés pour la régénération ou la récupération de chaleur, permettant de collecter et de réutiliser l'énergie thermique utile afin d'améliorer l' efficacité thermique globale du processus de chauffage ou de refroidissement. Les échangeurs de chaleur régénératifs se classent en récupérateurs et régénérateurs .

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans de nombreuses applications quotidiennes importantes, telles que le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC) et la réfrigération , et sont essentiels au refroidissement des infrastructures informatiques , car une dissipation thermique efficace est nécessaire pour réduire la limitation thermique des ordinateurs. En particulier dans les centres de données , cela contribue à maintenir des performances optimales et garantit la disponibilité et la fiabilité des systèmes en ligne.

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