Compte rendu du TP du

Thermodynamique

Réalisé par : MANIANI NIZAR

Encadré par : Mr Timesli
 TP :1
Equation d'état d'un gaz parfait

INTRODUCTION:
Un gaz parfait est un gaz réel pris à basse pression et le volume des molécules ainsi que leurs interactions
deviennent négligeables. L’équation d’état des gaz parfaits est donnée par : PV= n.R.T où :
P : Pression du gaz (pascal, atm, cmHg) ; 1atm = 1.0123. 105 pascal = 76 cmHg ;
V : Volume occupé par le gaz (m3, litre) ;
n : Nombre de mole de gaz (moles) ;
T : Température absolue (K) ; T(K) = θ (°C) + 273.15
R : Constante des gaz parfaits = 0.082 L.atm/mol K = 8.314 J/mol K =1.987 cal/mol K.

I. Principe de l'expérience:
L'état d'un gaz est déterminé par sa température, sa pression et la quantité de substance qu'il contient (n
= 0.9536 mol). Pour le cas limite d'un gaz parfait, ces variables d'état sont liées par l'équation générale
d'état, à partir de laquelle des corrélations spécifiques peuvent être déduites pour certains changements
d'état.
Dispositif exprimental :

II. Objectifs:
Pour un volume constant de gaz (air), étudier la corrélation
1. Du volume et de la pression à température constante (loi de Boyle Mariotte).
2. Du volume et de la température à pression constante (loi de Gay Lussac).
3. De la pression et de la température à volume constant (loi de Charles (Amontons)).
A partir des relations obtenues, calculer la constante universelle des gaz ainsi que le coefficient de
l'expansion thermique, le coefficient de la tension thermique et le coefficient de la compressibilité
cubique.

III. Manipulation :
1. Détermination du volume en fonction de la température Vp=f(T) :
On fixe la pression du gaz étudié à 1 atm. On fait varier la température T puis on introduit les valeurs
correspondantes à la variation de la température et celles de la hauteur l du gaz dans son tube cylindrique
dans un tableau afin de faciliter notre tache.
En exploitant l'expression littérale du volume du gaz : 𝑉 = S ∗ l + Vr / 𝑉 = 𝜋 × 𝑑 2 4 × 𝑙 + 𝑉r . Et celle de la
pression du gaz : 𝑃 = 𝑃0 + 𝜌𝑔∆ℎ.
Pour déterminer le volume V correspondant à la température respective de T à pression constante (p = pa)
on peut procéder à l'équilibrage de pression dans le tube de mesure avec la pression atmosphérique (au
niveau de l'équilibrage du niveau de mercure dans le tube de mesure et dans le réservoir ), puis mesurer la
longueur l de la colonne d'air dans le tube de mesure. A partir de cette longueur le volume V est
déterminé selon l'équation: 𝑉 = S ∗ l + Vr .
La pression p correspondante à la température respective à un volume V1 constant (marquage) est
déterminée à partir de la différence de hauteur h efficace de la colonne de mercure selon l'équation
𝑃 = 𝑃0 + 𝜌𝑔∆ℎ. La différence de hauteur est lue à partir de l'échelle, après que le niveau de mercure dans
le tube de mesure a été de nouveau mis au volume initial marqué.

La variation de ces paramètres peut être introduite sous forme des courbes représentatives.
∆𝑃
On peut calculer la pente moyenne Pm de la courbe à travers la relation suivante : 𝑃= ainsi que son
∆𝑇
Pmax−Pmi𝑛
incertitude ∆𝑃 = .
2

−1 ∆𝑉 1 ∆𝑃
3T= ( )𝑇 𝖰= ( )𝑣
𝑉0 ∆𝑃 𝑃0 ∆𝑇

2. Détermination de la pression en fonction du volume : P=fT(V) :

On fixe la température du gaz étudié à 30°C. On fait varier la hauteur h puis on introduit les valeurs
correspondantes à la variation de la pression P du gaz à étudier (P(cmHg)=P’+Patm avec Patm=76 cmHg et
P’=ρgh’ ou ρ=13,6 g/cm3 est la masse volumique du mercure Hg, g=981cm/s2 et h’(cm) est la auteur entre
la surface libre du mercure et l’interface Hg/gaz.

Conclusion :

D’après les résultats obtenus et les graphes, on déduit que la loi de Boyle-Mariotte est vérifiée, car on a
trouvé, qu’à une température constante, le produit PV=cte.

TP :2
Calorimétrie : étude de capacités calorifiques.

INTRODUCTION:
Le calorimètre est un outil qui travaille sous système adiabatique (les échanges de chaleur est nul c’est-à-
dire la somme des quantités de chaleurs est égale à 0), qui étudie les transformations de chaleur entre les
corps soit eau/eau soit eau/métal. Dans la calorimétrie on définit la chaleur massique Ceau et la capacité
thermique Cm.
La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de quantifier la
possibilité qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'énergie par échange thermique au cours d'une
transformation pendant laquelle sa température varie.

I. Principe de l'expérience:
Des échantillons chauffés sont placés dans un calorimètre rempli d'eau à basse
température. La capacité calorifique des échantillons est déterminée à partir de
l'augmentation de la température de l'eau.
Dispositif exprimental :

Calorimètre Thermomètre numérique Balance numérique

Des métaux

II. Objectifs:

1. Déterminer la capacité calorifique du calorimètre en le remplissant d'eau chaude et

en mesurant l'augmentation de la température.

2. Déterminer la capacité calorifique spécifique de l'aluminium, du fer et du laiton.

III. Manipulation :

1.Détermination de la capacité calorifique du calorimètre :

Nous avons introduit dans un calorimètre une masse m’ d’eau à la température ambiante. Après quelques
instants ,nous notons la température d’équilibre Ti .Puis on ajoute une masse m d’eau tiède à la
température T0. On agite doucement le contenu du calorimètre et on note la température dans le
calorimètre au cours du temps. On observe une variation de la température au niveau du calorimètre en
fonction du temps. (On peut introduir ces valeurs dans un tableau pour faciliter le travail)
Après un instant on remarque que la température reste constante en une valeur malgré la variation du
temps. On constate alors la température finale Tf (la température minimale atteinte dans le calorimètre).
-Détermination de l’expression littérale de μ :
La quantité de chaleur Q1 cédée par l’eau chaude est Q1=m1ce (Tf – T0).
La quantité de chaleur Q2 reçue par le calorimètre et l’eau de masse m’est : Q2= (m’+ μ) ce (Tf-Ti).
Le calorimètre est isolé donc : Q1+Q2=0.
𝑚1(𝑇0−𝑇𝑓)
Selon ses relations, on obtient : = 𝑇𝑓−𝑇i
− 𝑚′
-La vérification de la valeur de µ :
La détermination de µ est importante donc il en faut une valeur assez sur. On refait une mesure de µ avec
une masse m2 d’eau tiède à la température T’0. On obtient des nouveaux résultats,On remarque que la
température finale T’f.
𝑚2(𝑇𝘍 0−𝑇𝘍 𝑓) 𝜇+𝜇′
l’expression littérale de μ’ :𝜇′ = − 𝑚′ => La moyenne des deux résultats :𝜇𝑚 =
𝑇𝘍𝑓−𝑇i 2

L’expression littérale de la capacité calorifique du calorimètre Ccal :

On peut écrire la capacité calorifique du calorimètre sous la relation suivante : Ccal= µmoyenne * Ce
2-Détermination de la capacité thermique d’un métal :
On met un morceau du métal dans l’eau bouillante à 𝑇0 pendant 10 minutes. En même temps On met une
masse 𝑚 d’eau dans le calorimètre de capacité thermique 𝐶. On note la température 𝑇i de l’eau. Puis on
immerge le morceau de métal dans l’eau du calorimètre, après on ferme le couvercle du calorimètre, et
ensuite on homogénéise en agitant. On note la température dans le calorimètre au cours du temps. On
observe une variation de la température au niveau du calorimètre en fonction du temps.
De la même manière On signale 𝑇ƒ1 à l’équilibre thermique . ▪
Détermination de la capacité thermique massique du métal :
On sait que : - La quantité de la chaleur apportée par le métal est : 𝑄1 = 𝑀métal.𝐶′(𝑇ƒ − 𝑇0)
- La quantité de la chaleur reçue par le calorimètre et l’eau est : 𝑄2 = (𝑚 + 𝜇)(𝑇ƒ − 𝑇i)
(𝑚+𝜇)(𝑇i−𝑇𝑓)
- Le système est isolé : 𝑄1 + 𝑄2 = 0. Alors : 𝐶 =
(𝑇𝑓−𝑇0)

- Conclusion :

La capacité thermique est l'énergie qu'il faut apporter à un corps pour augmenter sa température d'un
kelvin, c’est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu'a ce corps d'absorber ou de restituer
de l'énergie par échange thermique au cours d'une transformation pendant laquelle sa température varie.
Ainsi, plus la capacité thermique d'un corps est grande, plus grande sera la quantité d'énergie échangée au
cours d'une transformation s'accompagnant d'une variation de la température de ce corps, c’est-à-dire
qu’elle dépend de la matière qui constitut le corps à étudier sans oublier les conditions où s’opère
l’expérience. Et c’est ce qui est justifié par cette manipula
 TP :3
Mesure de pression
INTRODUCTION:
La mesure de pression est importante, pas seulement en mécanique des fluides, mais dans pratiquement
chaque domaine de l’ingénierie. Il y existe de nombreuses méthodes pour mesurer une pression et
beaucoup d'entre elles utilisent des principes hydrostatiques. Les expériences suivantes illustrent
certaines des méthodes et, en particulier, comment les colonnes de liquide peuvent être utilisées dans les
différents formes de mesure de pression.

I. Principe de l'expérience :Lors de cette manipulation, on se basera essentiellement sur des

mesures obtenues par le biais d’un tube de bourdon. Le tube de Bourdon est un tube brasé, soudé ou
vissé avec le support de tube qui forme généralement une pièce complète avec le raccord. La mesure est
effectuée à partir de la déformation d’un tube creux enroulé en spirale associé à un mécanisme
permettant la lecture. Lorsque le fluide passe à l’intérieur du tube, sous l’action de la pression, la spire se
déforme, entraînant le déplacement de l’aiguille sur le cadran du manomètre.
Dispositif exprimental :

1- Piston en acier inoxydable.

2- Cylindre, où le piston bouge librement.

3- Tuyau transparent.

4- Manomètre de BOURDON, qui est connecté au tuyau transparent.

5- Orifice de trop plein qui se trop plein pour dégager l’air emprisonné dans le circuit.

II. Objectifs:
L’étude de l’évolution de la pression relative en fonction de la variation de la masse.

III. Manipulation :

- On remplit le cylindre d’eau et on retire l’air piégé dans le tube transparent en tapotant doucement sur
l’appareil. Une petite quantité d’air restant à l’intérieur du système ne devrait pas affecter l’expérience.
- On fait le plein d’eau et on insère le piston dans le cylindre, en permettant à l’air et l’eau en excès de
s’échapper par le trou supérieur sur le côté du cylindre. On laisse le piston se stabiliser.
- On ajoute graduellement des masses jusqu’à obtenir un maximum de valeur.
-Lorsque le tube manométrique est mis sous pression, la section ovale du tube a tendance a s’arrondir. Les
contraintes de cerceau qui sont générées par ce processus augmentent le rayon du tube en forme de c. Par
conséquent, l’extrémité du tube se déplace d’environ deux ou trois millimètres. Cette déviation donne
une mesure de la pression. Elle est transférée à un mouvement, qui transforme la déviation linéaire en un
mouvement de rotation et, par l’intermédiaire d’un pointeur, rend cet effet visible sur une échelle.

Le cas d’augmentation de la pression :

Commentaire :
On constate que plus la pression réelle augmente, la pression lue en manomètre augmente aussi. Cela
s’explique par le fait qu’à chaque fois qu’on ajoute des masses, le piston descend et il applique une force
sur l’eau existant dans le cylindre et son expression est : F=PA.

Conclusion :

Pour conclure, grace à ce TP j’ai bien enrichi mes connaissances sur le manomètre de Bourdon et la
pression en général, surtout que Les manomètres sont les instruments de mesure de pression mécanique
les plus fréquemment utilisés.

TP :4
Etude d'une pompe à chaleur
INTRODUCTION:
Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique (calories)
d'un milieu à basse température (source froide) vers un milieu à haute température (source chaude). Ce
dispositif permet donc d'inverser le "sens naturel" du transfert spontané de l'énergie thermique.

I.Principe de l'expérience :
Les pressions et les températures dans le circuit d'une pompe à chaleur à compression électrique sont
mesurées en fonction du temps lorsqu'elle est opérée en mode pompe à chaleur eau/eau.L'énergie
prélevée et libérée est calculée à partir de l'échauffement et du refroidissement de deux réservoirs d'eau.

Dispositif exprimental :
1. Compresseur. 2. Support pivotant du réservoir d'eau de la source chaude. 3. Condenseur. 4. Épurateur :
Filtre le fréon liquide des bulles de gaz qu'il contient. 5. Détendeur. 6. Capteur de température du
détendeur avec isolation thermique. 7. Évaporateur. 8. Support pivotant du réservoir d'eau de la source
froide. 9. Serpentin qui empêche la transmission des vibrations du compresseur à l'ensemble du montage.
10.Pressostat : Arrête le compresseur quand la pression côté condenseur dépasse 16 bar. 11. Capteurs de
température au niveau des tuyaux en cuivre du circuit. 12. Manomètre côté basse pression.13.Manomètre
côté haute pression.

Description du cycle de fonctionnement :

•Le fluide caloporteur sort à l'état gazeux du serpentin de l'évaporateur E (pression 𝑃𝐷et température 𝑇𝐹
de la source froide).
•Il passe alors dans le compresseur qui le comprime à la pression 𝑃𝐶. Cette compression rapide est
isentropique (adiabatique) : le fréon gazeux s’échauffe.
•Quand le fréon gazeux arrive dans le serpentin du condenseur C, il se refroidit jusqu'à la température 𝑇𝐶
de la source chaude et se liquéfie sous la pression .
•Il passe alors dans une vanne de détente (capillaire) qui le ramène à la pression . La détente est
isenthalpique. A l'arrivée dans le serpentin de l'évaporateur E, le fluide se vaporise sous la pression 𝑃𝐷 et
à la température 𝑇𝐹 de la source froide.

II. Objectifs:
- La mesure de la pression et la température dans le circuit et dans les réservoirs du côté du condensateur
et du vaporisateur.
- Calcul de l’énergie prélevée et libérée, ainsi que la concentration volumique dans le circuit et l’efficacité
volumétrique du compresseur.

III. Manipulation :
On remplit les deux sceau (les deux seaux contiennent déjà les sondes reliées chacune a deux
thermomètres l'un a l'entré l'autre à la sortie) par une même masse d'eau ayant une même température.
L’un joue le rôle de la source chaude (condenseur),et l’autre joue le rôle de la source froide (évaporateur).
Le wattmètre étant déjà lié au compresseur. On met en marche le système : À chaque minute et pendant
un instant on relève les valeurs de la pression du gaz frigorigène (coté condenseur/évaporateur),
température de l'eau (source chaude/froide), température a l'entré et la sortie du
condenseur/évaporateur. En maintenant l'agitation dans chacune des sources pour assurer l'homogénéité
de la température.
=> On conclut que plus le temps augmente plus la température dans le condenseur augmente et plus la
température dans l’évaporateur diminue.
Conclusion :

En guise de conclusion, le but de ce TP, qui était d’étudier et comprendre le fonctionnement d’une
machine thermique, à travers la pompe à chaleur, a été atteint. Concernant le travail réalisé, nous avons
pu relever la variation des températures dans les deux systèmes d’étude (condenseur et évaporateur). Par
suite, nous avons calculé l’efficacité réelle, que nous avons pu comparer avec une efficacité idéale. Nous
avons constaté une différence dont nous avons constaté une différence dont nous avons tenté de trouver
l’explication.