Thermodynamique : applications (Coursera)

L’objectif du cours est la compréhension et la capacité de mise en application des concepts fondamentaux de la thermodynamique. Après la présentation du premier et deuxième principe de la thermodynamique, l’exposé abordera les questions d’irréversibilité ainsi que les potentiels thermodynamiques.
Après l’établissement de ces bases conceptuelles qui font l’objet de la première partie, leurs applications à l’ingénierie tels que les transferts thermiques, la calorimétrie et les transitions de phases, seront traitées. Ensuite le point de vue de la chimie sera présenté pour aborder la conversion de l’énergie chimique en électricité.
Finalement, des sujets plus avancés sont abordés, à savoir les cycles thermodynamiques, les machines thermiques, les concepts de thermodynamique adaptés au milieu continu et finalement les processus irréversibles.
Le professeur J.-Ph. Ansermet qui est l’instigateur de ce cours est entouré d’experts et de spécialistes des différents domaines d’application, enseignant la thermodynamique dans diverses institutions partenaires du réseau RESCIF. Ce sont : le Professeur Michael Grätzel et le docteur Sylvain Brechet de l’EPFL, les Professeurs Paul Ekam, Théophile Mband, Marthe Boyomo et André Talla de l’ENSP de Yaoundé, le professeur Miltiadis Papalexandris de UCL à Louvain, le Professeur Etienne Robert du Polytechnique de Montréal et le Professeur Marwan Brouche de l’Université St-Joseph de Beyrouth.

Syllabus

WEEK 1
Calorimétrie - Ekam - ENSP Yaoundé
Dans ce chapitre, le professeur Paul Ekam de l'Institut Polytechnique de Yaoundé au Cameroun présente la manière dont on modélise les échanges infinitésimaux de chaleur. Ceux-ci sont fonction de plusieurs variables d'état reliées par des coefficients appelés coefficients calorimétriques. Les potentiels thermodynamiques permettent ensuite de déterminer des relations entre ces coefficients. Finalement ces coefficients sont appliqués dans le cas d'un gaz parfait pour calculer les échanges de travail et de chaleur pour les processus standard (isotherme, adiabatique et isochore).

WEEK 2
Transitions de phase - Boyomo - ENSP Yaoundé
Dans ce chapitre, le docteur Marthe Boyomo de l'Institut Polytechnique de Yaoundé au Cameroun présente les éléments de base de la théorie des transitions de phase, c'est-à-dire des variations abruptes de l'état de la matière. La première partie traite de la stabilité de ces états. La deuxième partie traite des transitions dites de premier ordre. Dans la troisième partie, ceci est illustré par l'exemple de la transition liquide-vapeur en utilisant le modèle de van der Walls.

WEEK 3
Thermodynamique et réactions chimiques - Mbang - ENSP Yaoundé
Dans ce chapitre, le docteur Théophile Mbang de l'Institut Polytechnique de Yaoundé au Cameroun applique les concepts de la thermodynamique pour modéliser la dynamique des réactions chimiques. Il introduit l'avancement d'une réaction chimique et définit l'enthalpie et l'énergie libre de Gibbs d'une réaction chimique. Il discute aussi la loi de Hess et la loi d'action de masse.

WEEK 4
Electro-chimie - Graetzel - EPFL Lausanne
Dans ce chapitre le professeur M. Graetzel de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse applique les concepts de la thermodynamique à l'électrochimie. Les outils de base de la thermodynamique permettent de modéliser les fonctionnement des batteries, ainsi que celui des piles à combustibles. Le cas d'une pile à concentration est abordé en exercice. La généralisation du potentiel chimique en électrochimie est le potentiel électrochimique qui rend notamment comptes des interactions électrostatiques entre des ions.

WEEK 5
Propriétés thermodynamiques des fluides - Talla - ENSP Yaoundé
Dans ce chapitre le professeur André Talla de l'Institut Polytechnique de Yaoundé au Cameroun applique les concepts de la thermodynamique à des fluides. Il décrit en particulier des processus isothermes, adiabatiques, isochores et isobares. En considérant un cycle thermodynamique ditherme (constitué de deux isothermes) il définit la notion de rendement et celle d'efficacité.

WEEK 6
Machines thermiques - Robert - Ecole Polytechnique de Montreal
Dans ce chapitre, le professeur Etienne Robert de l'École Polytechnique de Montréal au Canada discute les applications techniques des cycles thermodynamiques. Il explique le fonctionnement du moteur à combustion, des turbine à gaz et des pompes thermiques.

WEEK 7
Transferts thermiques - Brouche & Maatouk - USJ Beyrouth
Dans ce chapitre le Docteur Marwan Brouche et le Docteur Chantal Maatouk de l'université Saint-Josèphe à Beyrouth au Liban traitent des transferts de chaleur par convection, conduction et radiation. Ils discutent notamment l'équation de la chaleur.

WEEK 8
Milieux continus - Papalexandis - UCL Louvain
Dans ce chapitre, le professeur Miltiadis Papalexandris de l'Université Catholique de Louvain en Belgique développe une description locale de la thermodynamique où les systèmes locaux sont à l’équilibre. Cela lui permet de définir les champs intensifs "température", "pression" et "potentiel thermodynamique". En suivant cette approche, il détermine notamment les équations qui localement gouvernent la thermostatique, la thermodynamique des processus réversibles et celle des processus irréversibles.

WEEK 9
Processus irréversibles - Papalexandis - UCL Louvain
Dans ce chapitre, le professeur Miltiadis Papalexandris de l'Université Catholique de Louvain en Belgique applique la thermodynamique des milieux continus pour modéliser les processus irréversibles. Ces processus sont décrits par des relations linéaires entre les courants généralisés et les forces généralisées qui décrivent des lois et des effets physiques. Comme exemple, il présente entre autres les lois d’Ohm, de Fick et de Fourier, et les effets Hall, Seebeck et Joule.