Première loi de la thermodynamique (système ouvert, écoulement permanent) Calculator

Formula first

Overview

La première loi de la thermodynamique pour les systèmes ouverts, également appelée équation de l'énergie en régime permanent, est un principe fondamental affirmant que l'énergie se conserve. Pour un système en écoulement permanent, le taux d'énergie entrant dans le système doit être égal au taux d'énergie sortant du système plus le taux d'accumulation d'énergie dans le système (qui est nul à l'état permanent). Cette équation tient compte du transfert de chaleur, du transfert de travail et de l'énergie transportée par l'écoulement massique, y compris les composantes d'enthalpie, d'énergie cinétique et d'énergie potentielle. Pour les besoins de ce calculateur, on suppose une seule entrée et une seule sortie.

Symbols

Variables

$\dot{Q}$ = Heat Transfer Rate, $\dot{W}$ = Work Transfer Rate, $\dot{m}$ = Mass Flow Rate, $h_{in}$ = Specific Enthalpy (Inlet), $h_{out}$ = Specific Enthalpy (Outlet)

Apply it well

When To Use

When to use: Appliquez cette équation pour analyser des dispositifs comme des turbines, des compresseurs, des tuyères, des diffuseurs, des échangeurs thermiques et des pompes, où la masse entre et sort d'un volume de contrôle. Elle est cruciale pour calculer les taux de transfert d'énergie, déterminer des propriétés fluides inconnues à l'entrée ou à la sortie, ou dimensionner des composants dans des centrales électriques et des cycles frigorifiques. Assurez-vous que le système est à l'état permanent et identifiez toutes les interactions énergétiques.

Why it matters: Cette loi constitue la base de la conception et de l'analyse des systèmes thermiques en ingénierie. Elle permet aux ingénieurs de prédire les performances, d'optimiser le rendement et de résoudre des problèmes énergétiques dans une vaste gamme d'applications, de la production d'électricité aux systèmes CVC et aux procédés chimiques. Sa maîtrise est essentielle pour développer des solutions énergétiques durables et efficaces.

Avoid these traps

Common Mistakes

• Appliquer incorrectement les conventions de signe pour la chaleur et le travail.
• Oublier d'inclure toutes les formes d'énergie (enthalpie, énergie cinétique, énergie potentielle) ou supposer qu'elles sont négligeables alors qu'elles ne le sont pas.
• Mélanger les unités (par exemple utiliser des kJ pour l'enthalpie et des J pour l'énergie cinétique sans conversion).
• Appliquer l'équation à des systèmes en écoulement instationnaire sans modification.

One free problem

Practice Problem

Une turbine à vapeur fonctionne en régime permanent. La vapeur entre avec une enthalpie de 2800 kJ/kg et une vitesse de 50 m/s à une altitude de 10 m. Elle sort avec une enthalpie de 2600 kJ/kg et une vitesse de 150 m/s à une altitude de 5 m. Le débit massique est de 2 kg/s, et la turbine produit 50 kW de travail. Calculez le taux de transfert thermique vers ou depuis la turbine.

Hint: N'oubliez pas de convertir les termes d'énergie cinétique et potentielle en kJ/kg en divisant par 1000.

The full worked solution stays in the interactive walkthrough.

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Related Formulas

References

Sources

1. Fundamentals of Heat and Mass Transfer by Incropera, DeWitt, Bergman, Lavine, 7th Edition
2. Thermodynamics: An Engineering Approach by Yunus A. Cengel and Michael A. Boles, 8th Edition
3. Transport Phenomena by R. Byron Bird, Warren E. Stewart, and Edwin N. Lightfoot, 2nd Edition
4. Wikipedia: First law of thermodynamics
5. Moran & Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics
6. Cengel & Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach
7. NIST CODATA
8. Cengel and Boles Thermodynamics: An Engineering Approach