Thermodynamique appliquée - Bilans entropiques et exergétiques

Le deuxieme principe de la thermodynamique nous apprend que l'entropie est une grandeur extensive qui, d'une part accompagne tous les transferts de chaleur, d'autre part apparait spontanement (est creee) dans les systemes qui fonctionnent avec des irreversibilites dues a tous les gradients de grandeurs intensives. Comme la dynamique de tous les systemes est justement liee a ces gradients, les irreversibilites sont presentes partout et sont necessaires pour realiser des transferts energetiques dans des temps limites, c'est-a-dire pour mettre en jeu des puissances non negligeables. Il apparait alors un dilemme pour le concepteur d'un systeme industriel, c'est-a-dire pour l'ingenieur. En effet, les irreversibilites, c'est-a-dire la creation d'entropie, qui permettent d'avoir de la puissance, sont la cause d'une transformation spontanee (degradation) des energies dites « nobles » (mecanique, electrique, etc.) en energie thermique, ce qui degrade en general le rendement du systeme considere. Ainsi, afin d'optimiser un systeme energetique, l'ingenieur doit pouvoir mesurer le poids des irreversibilites sur le fonctionnement du systeme. Pour ce faire, deux methodes s'offrent a lui. Les installations energetiques industrielles et leurs composants sont quasiment toujours, pour le « systeme thermodynamique » considere (un fluide en general), des systemes ouverts. L'analyse des irreversibilites developpees dans le systeme peut alors s'appuyer sur une etude des bilans entropiques, c'est-a-dire des flux d'entropie qui traversent le systeme, en regime permanent ou en regime transitoire. De tels bilans faisant apparaitre les creations d'entropie ou production entropique, parmi les diverses solutions possibles celle qui, pour une meme puissance, donne la plus faible production entropique, devra etre privilegiee. Cette premiere methode est remplacee de plus en plus par la methode exergetique. Son interet reside principalement dans le fait que sa mise en œuvre donne aussi bien des renseignements sur le plan quantitatif que sur le plan qualitatif des transferts energetiques. Elle recouvre donc a la fois les concepts du premier principe et ceux du deuxieme principe de la thermodynamique alors que les analyses entropiques ne prennent en compte que les aspects lies au deuxieme principe. L'objet de cet article est de jeter les bases necessaires a l'application de chacune de ces deux methodes. Cependant, l'accent sera mis sur les analyses exergetiques. Il est important de preciser que la comprehension de l'article est nettement conditionne par la maitrise des concepts etablis dans l'article qui precede [BE 8 007]. En fait, ces deux articles sont lies.