Unités d'ingénierie

Un aperçu des unités de mesure utilisées dans la boucle de steam et de condensat, notamment la température, la pression, la densité, le volume, la chaleur, le travail et l’énergie.

Dans l’ensemble des industries de l’ingénierie, de nombreuses définitions et unités différentes ont été proposées et utilisées pour les propriétés mécaniques et thermiques.

Les problèmes que cela a causés ont conduit au développement d’un système international d’unités convenu (ou unités SI : Système International d’Unités). Dans le système SI, il existe sept unités de base bien définies à partir desquelles les unités d’autres propriétés peuvent être dérivées, et celles-ci seront utilisées tout au long de cette publication.

Les unités de base SI comprennent la longueur (en mètres), la masse (en kilogrammes), le temps (en secondes) et la température (en kelvin). Les trois premières ne nécessitent normalement aucune explication supplémentaire, tandis que la dernière sera discutée plus en détail ultérieurement.

Les autres unités de base SI sont le courant électrique (en ampères), la quantité de matière (en moles) et l’intensité lumineuse (en candelas). Celles-ci peuvent être familières aux lecteurs ayant des bases en électronique, chimie et physique respectivement, mais ont peu de pertinence pour le génie de la steam ni pour le contenu de The Steam and Condensate Loop.

Le Tableau 2.1.1 montre les unités dérivées pertinentes pour ce sujet, toutes devant être familières à ceux ayant une formation générale en ingénierie. Ces quantités ont toutes reçu des noms spéciaux en hommage aux pionniers célèbres du développement de la science et de l’ingénierie.

Tableau 2.1.1 Quantités nommées en unités SI dérivées.

Il existe de nombreuses autres quantités dérivées des unités de base SI, qui seront également significatives pour toute personne impliquée dans le génie de la steam. Elles sont fournies dans le Tableau 2.1.2.

Tableau 2.1.2 Autres quantités en unités SI dérivées

Multiples et sous-multiples

Le Tableau 2.1.3 donne les préfixes SI utilisés pour former des multiples et sous-multiples décimaux des unités SI. Ils permettent d’éviter des valeurs numériques très grandes ou très petites. Un préfixe s’attache directement au nom d’une unité, et un symbole de préfixe s’attache directement au symbole d’une unité.

En résumé : un millier de mètres peut être noté 1 km, 1 000 m ou 10³ m.

Tableau 2.1.3 Multiples et sous-multiples utilisés avec les unités SI

Abréviations spéciales utilisées dans les applications de débitmétrie de steam

Pour des raisons historiques, la norme internationale ISO 5167 (remplaçant BS 1042) qui fait référence à la débitmétrie, utilise les abréviations suivantes dans le Tableau 2.1.4.

Tableau 2.1.4 Symboles utilisés dans les applications de débitmétrie

CNP - Conditions normales de pression et température

Ce sont les conditions standard pour la mesure des propriétés de la matière. La température standard est le point de congélation de l’eau pure, 0 °C ou 273,16 °K. La pression standard est la pression exercée par une colonne de mercure (symbole Hg) de 760 mm de haut, souvent désignée 760 mm Hg. Cette pression est également appelée une atmosphère et est égale à 1,013 25 x 10⁶ dynes par centimètre carré, ou environ 14,7 lb par pouce carré. La densité (masse par volume) d’un gaz est généralement rapportée comme sa valeur aux conditions standard. Les propriétés qui ne peuvent pas être mesurées aux conditions standard sont mesurées dans d’autres conditions ; les valeurs obtenues sont ensuite mathématiquement extrapolées à leurs valeurs aux conditions standard.

Symboles

Le Tableau 2.1.5 montre les symboles et les unités de mesure typiques utilisés dans The Steam and Condensate Loop.

Tableau 2.1.5 Symboles et unités de mesure utilisés dans The Steam and Condensate Loop

Indices utilisés avec les propriétés

Lors de l’utilisation de l’enthalpie, de l’entropie et de l’énergie interne, les indices ci-dessous sont utilisés pour identifier la phase, par exemple :

• Indice f = État fluide ou liquide, par exemple hf : enthalpie du liquide
• Indice fg = Changement d’état liquide à gaz, par exemple hfg : enthalpie d’évaporation
• Indice g = Total, par exemple hg : enthalpie totale Notez que, par convention, la chaleur totale dans le steam surchauffé est désignée par h. Il est également courant, par convention, de désigner les quantités d’échantillon par des lettres majuscules, tandis que les quantités par unité sont désignées par des lettres minuscules. Par exemple : Enthalpie totale dans un échantillon de steam surchauffé H kJ Enthalpie spécifique du steam surchauffé h kJ/kg

Température

L’échelle de température est utilisée comme indicateur d’équilibre thermique, au sens où deux systèmes en contact mutuel ayant la même valeur sont en équilibre thermique. L’échelle Celsius (°C) C’est l’échelle la plus couramment utilisée par l’ingénieur, car elle a un zéro commode (mais arbitraire), correspondant à la température à laquelle l’eau gèle. L’échelle absolue ou K (kelvin) Cette échelle a les mêmes incréments que l’échelle Celsius, mais a un zéro correspondant à la température minimale possible lorsque tout mouvement moléculaire et atomique a cessé. Cette température est souvent appelée le zéro absolu (0 K) et est équivalente à -273,16 °C.

Les deux échelles de température sont interchangeables, comme le montre la Figure 2.1.1 et exprimé dans l’Équation 2.1.1.

L’unité SI de température est le kelvin, qui est défini comme 1 ÷ 273,16 de la température thermodynamique de l’eau pure à son point triple (0,01 °C). Une explication du point triple est donnée dans le Module 2.2. La plupart des équations thermodynamiques nécessitent que la température soit exprimée en kelvin. Cependant, la différence de température, telle qu’utilisée dans de nombreux calculs de heat transfer, peut être exprimée en °C ou en K. Étant donné que les deux échelles ont les mêmes incréments, une différence de température de 1 °C a la même valeur qu’une différence de température de 1 K.

Pression

L’unité SI de pression est le pascal (Pa), défini comme 1 newton de force par mètre carré (1 N/m²).

Comme le Pa est une très petite unité, le kPa (1 kilonewton/m²) ou le MPa (1 méganewton/m²) ont tendance à être plus appropriés pour le génie de la steam. Cependant, l’unité métrique la plus couramment utilisée pour la mesure de pression dans le génie de la steam est probablement le bar. Il est égal à 10⁵ N/m² et s’approxime à 1 atmosphère. Cette unité est utilisée dans toute cette publication. D’autres unités souvent utilisées comprennent lb/po² (psi), kg/cm², atm, po H₂O et mm Hg. Les facteurs de conversion sont facilement disponibles auprès de nombreuses sources.

Pression absolue (bar a) C’est la pression mesurée depuis le zéro du vide parfait, c’est-à-dire qu’un vide parfait a une pression de 0 bar a. Pression manométrique (bar g) C’est la pression mesurée depuis le zéro de la pression atmosphérique. Bien qu’en réalité la pression atmosphérique dépende du climat et de l’altitude, une valeur généralement acceptée de 1,013 25 bar a (1 atm) est souvent utilisée. C’est la pression moyenne exercée par l’air de l’atmosphère terrestre au niveau de la mer. Pression manométrique = Pression absolue - Pression atmosphérique Les pressions supérieures à la pression atmosphérique donneront toujours une pression manométrique positive. Inversement, un vide ou une pression négative est la pression inférieure à celle de l’atmosphère. Une pression de -1 bar g correspond approximativement à un vide parfait. Pression différentielle C’est simplement la différence entre deux pressions. Lors de la spécification d’une pression différentielle, il n’est pas nécessaire d’utiliser les suffixes « g » ou « a » pour désigner respectivement la pression manométrique ou la pression absolue, car le point de référence de pression devient sans objet. Par conséquent, la différence entre deux pressions aura la même valeur que ces pressions soient mesurées en pression manométrique ou en pression absolue, tant que les deux pressions sont mesurées depuis le même point de référence. Densité et volume spécifique La densité (ρ) d’une substance peut être définie comme sa masse (m) par unité de volume (V). Le volume spécifique (vg) est le volume par unité de masse et est donc l’inverse de la densité. En fait, le terme « spécifique » est généralement utilisé pour désigner une propriété d’une unité de masse d’une substance (voir Équation 2.1.2).

Les unités SI de densité (ρ) sont kg/m³, inversement, les unités de volume spécifique (vg) sont m³/kg.

Un autre terme utilisé comme mesure de densité est la gravité spécifique. C’est un rapport entre la densité d’une substance (ρs) et la densité de l’eau pure (ρw) aux conditions standard de température et de pression (CNP). Cette condition de référence est généralement définie comme étant à la pression atmosphérique et 0 °C. Parfois elle est donnée à 20 °C ou 25 °C et est appelée conditions normales de température et de pression (CNTP).

La densité de l’eau dans ces conditions est d’environ 1 000 kg/m³. Par conséquent, les substances ayant une densité supérieure à cette valeur auront une gravité spécifique supérieure à 1, tandis que les substances ayant une densité inférieure auront une gravité spécifique inférieure à 1.

Étant donné que la gravité spécifique est un rapport de deux densités, c’est une variable sans dimension et elle n’a pas d’unités. Dans ce cas, le terme spécifique n’indique pas qu’il s’agit d’une propriété d’une unité de masse d’une substance. La gravité spécifique est aussi parfois connue sous le nom de densité relative d’une substance. Chaleur, travail et énergie L’énergie est parfois décrite comme la capacité de faire du travail. Le transfert d’énergie au moyen d’un mouvement mécanique est appelé travail. L’unité SI pour le travail et l’énergie est le joule, défini comme 1 N m. La quantité de travail mécanique effectué peut être déterminée par une équation dérivée de la mécanique newtonienne : Travail = Force x Déplacement Il peut également être décrit comme le produit de la pression appliquée et du volume déplacé : Travail = Pression appliquée x Volume déplacé Exemple 2.1.1 Une pression appliquée de 1 Pa (ou 1 N/m²) déplace un volume de 1 m³. Quelle quantité de travail a été effectuée ? Travail effectué = 1 N/m² x 1 m³ = 1 N m (ou 1 J) L’avantage de l’utilisation des unités SI, comme dans l’exemple ci-dessus, est que les unités dans l’équation s’annulent effectivement pour donner les unités du produit. Les observations expérimentales de J. P. Joule ont établi qu’il existe une équivalence entre l’énergie mécanique (ou le travail) et la chaleur. Il a découvert que la même quantité d’énergie était nécessaire pour produire la même élévation de température dans une masse spécifique d’eau, que l’énergie soit fournie sous forme de chaleur ou de travail. L’énergie totale d’un système est composée de l’énergie interne, potentielle et cinétique. La température d’une substance est directement liée à son énergie interne (ug). L’énergie interne est associée au mouvement, à l’interaction et aux liaisons des molécules au sein d’une substance. L’énergie externe d’une substance est associée à sa vitesse et à sa position, et est la somme de son énergie potentielle et cinétique. Le transfert d’énergie résultant uniquement de la différence de température est appelé flux de chaleur. Le watt, qui est l’unité SI de puissance, peut être défini comme 1 J/s de flux de chaleur. D’autres unités utilisées pour quantifier l’énergie thermique sont le British Thermal Unit (Btu : la quantité de chaleur pour élever 1 lb d’eau de 1 °F) et la kilocalorie (la quantité de chaleur pour élever 1 kg d’eau de 1 °C). Les facteurs de conversion sont facilement disponibles auprès de nombreuses sources. Enthalpie spécifique C’est le terme donné à l’énergie totale, due à la pression et à la température, d’un fluide (tel que l’eau ou la steam) à un moment et dans une condition donnés. Plus spécifiquement, c’est la somme de l’énergie interne et du travail effectué par une pression appliquée (comme dans l’Exemple 2.1.1). L’unité de mesure de base est le joule (J). Comme un joule représente une très petite quantité d’énergie, il est courant d’utiliser des kilojoules (kJ = 1 000 joules). L’enthalpie spécifique est une mesure de l’énergie totale d’une unité de masse, et ses unités sont généralement kJ/kg. Capacité calorifique spécifique L’enthalpie d’un fluide est une fonction de sa température et de sa pression. La dépendance de l’enthalpie à la température peut être trouvée en mesurant l’élévation de température causée par le flux de chaleur à pression constante. La capacité calorifique à pression constante cP est une mesure du changement d’enthalpie à une température particulière. De même, l’énergie interne est une fonction de la température et du volume spécifique. La capacité calorifique à volume constant cv est une mesure du changement d’énergie interne à une température particulière et à volume constant. Parce que les volumes spécifiques des solides et des liquides sont généralement plus petits, sauf si la pression est extrêmement élevée, le travail effectué par une pression appliquée peut être négligé. Par conséquent, si l’enthalpie peut être représentée uniquement par la composante d’énergie interne, les capacités calorifiques à volume constant et à pression constante peuvent être considérées comme égales. Par conséquent, pour les solides et les liquides : cP ≈ cv Une autre simplification pour les solides et les liquides suppose qu’ils sont incompressibles, de sorte que leur volume n’est fonction que de la température. Cela implique que pour les fluides incompressibles, l’enthalpie et la capacité calorifique sont également des fonctions de la température uniquement. La capacité calorifique spécifique représente la quantité d’énergie nécessaire pour élever 1 kg de 1 °C, et peut être considérée comme la capacité d’une substance à absorber de la chaleur. Par conséquent, les unités SI de capacité calorifique spécifique sont kJ/kg K (kJ/kg °C). L’eau a une grande capacité calorifique spécifique (4,19 kJ/kg °C) comparée à de nombreux fluides, ce qui fait que l’eau et la steam sont considérées comme de bons vecteurs de chaleur. La quantité d’énergie thermique nécessaire pour élever la température d’une substance peut être déterminée à partir de l’Équation 2.1.4.

Cette équation montre que pour une masse donnée de substance, l’élévation de température est linéairement liée à la quantité de chaleur fournie, en supposant que la

capacité calorifique spécifique est constante sur cette plage de température. Exemple 2.1.2 Considérons une quantité d’eau d’un volume de 2 litres, portée d’une température de 20 °C à 70 °C. À la pression atmosphérique, la densité de l’eau est d’environ 1 000 kg/m³. Comme il y a 1 000 litres dans 1 m³, la densité peut être exprimée comme 1 kg par litre (1 kg/l). Par conséquent, la masse de l’eau est de 2 kg. La capacité calorifique spécifique de l’eau peut être prise comme 4,19 kJ/kg °C sur de faibles plages de température. Donc : Q = 2 kg x 4,19 kJ/kg °C x (70 - 20) °C = 419 kJ Si l’eau était ensuite refroidie à sa température initiale de 20 °C, elle libérerait également cette quantité d’énergie dans l’application de refroidissement. Entropie (S) L’entropie est une mesure du degré de désordre au sein d’un système. Plus le degré de désordre est élevé, plus l’entropie est grande. Les unités SI de l’entropie sont kJ/kg K (kJ/kg °C). Dans un solide, les molécules d’une substance s’arrangent dans une structure ordonnée. Lorsque la substance passe d’un solide à un liquide, ou d’un liquide à un gaz, l’arrangement des molécules devient plus désordonné à mesure qu’elles commencent à se déplacer plus librement. Pour toute substance donnée, l’entropie en phase gazeuse est supérieure à celle de la phase liquide, et l’entropie en phase liquide est supérieure à celle de la phase solide. Une caractéristique de tous les processus naturels ou spontanés est qu’ils progressent vers un état d’équilibre. Cela peut être vu dans la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que la chaleur ne peut passer d’un corps plus froid à un corps plus chaud. Un changement dans l’entropie d’un système est causé par un changement dans son contenu de chaleur, où le changement d’entropie est égal au changement de chaleur divisé par la température absolue moyenne, Équation 2.1.5.

Lorsque des calculs par unité de masse sont effectués, les symboles de l’entropie et de l’enthalpie sont écrits en minuscules, Équation 2.1.6.

Pour examiner cela plus en détail, considérons les exemples suivants : Exemple 2.1.3 Un processus élève 1 kg d’eau de 0 à 100 °C (273 à 373 K) dans des conditions atmosphériques. Enthalpie spécifique à 0 °C (hf) = 0 kJ/kg (d’après les tables de vapeur) Enthalpie spécifique de l’eau à 100 °C (hf) = 419 kJ/kg (d’après les tables de vapeur) Calculez le changement d’entropie spécifique Comme il s’agit d’un changement d’entropie spécifique de l’eau, le symbole « s » dans l’Équation 2.1.6 prend le suffixe « f » pour devenir sf.

Exemple 2.1.4 Un processus transforme 1 kg d’eau à 100 °C (373 K) en steam saturé à 100 °C (373 K) dans des conditions atmosphériques. Calculez le changement d’entropie spécifique d’évaporation Comme il s’agit de l’entropie impliquée dans le changement d’état, le symbole « s » dans l’Équation 2.1.6 prend le suffixe « fg » pour devenir sfg. Enthalpie spécifique d’évaporation de la steam à 100 °C (373 K) (hfg) = 2 258 kJ/kg (d’après les tables de vapeur) Enthalpie spécifique d’évaporation de l’eau à 100 °C (373 K) (hfg) = 0 kJ/kg (d’après les tables de vapeur)

Le changement total d’entropie spécifique de l’eau à 0 °C au steam saturé à 100 °C est la somme du changement d’entropie spécifique pour l’eau, plus le changement d’entropie spécifique pour la steam, et prend le suffixe « g » pour devenir le changement total d’entropie spécifique sg.

Donc

Exemple 2.1.5 Un processus surchauffe 1 kg de steam saturé à la pression atmosphérique à 150 °C (423 K). Déterminez le changement d’entropie.

Comme l’entropie de l’eau saturée est mesurée depuis un zéro de 0,01 °C, l’entropie de l’eau à 0 °C peut, pour des raisons pratiques, être considérée comme nulle. Le changement total d’entropie spécifique dans cet exemple est basé sur une température initiale de l’eau de 0 °C, et par conséquent le résultat final est pratiquement le même que l’entropie spécifique de la steam qui serait observée dans les tables de vapeur à l’état final de la steam à la pression atmosphérique et 150 °C.

L’entropie est discutée plus en détail dans le Module 2.15, Entropie - Une compréhension de base, et dans le Module 2.16, Entropie - Son utilisation pratique.