Ansys s'engage à préparer les étudiants d'aujourd'hui à la réussite, en leur fournissant gratuitement un logiciel de simulation.
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Blog Ansys
March 10, 2020
Les consommateurs attendent de leurs produits qu'ils soient écologiques, durables et biocompatibles. En conséquence, les ingénieurs vont devoir dépoussiérer leurs vieux manuels de chimie.
C'est parce que la cinétique chimique et la thermodynamique peuvent affecter les performances de presque tous les produits. Elles sont actives dans l'atmosphère, la production d'énergie, la fabrication, la microélectronique et le traitement des matériaux.
Il est également responsable de la rouille et de la calcification qui réduisent la durée de vie de nos modèles.
Utilisation de la cinétique et de la thermodynamique chimiques,
les ingénieurs réduisent le nombre de
les polluants créés par leurs conceptions
Même notre planète - et toutes les créatures qui s'y trouvent - sont des usines biochimiques. La cinétique et la thermodynamique chimiques permettent donc de déterminer si un produit est biocompatible et non polluant.
Afin d'aider les ingénieurs à concevoir des produits pour les consommateurs d'aujourd'hui, voici un rappel de chimie sur les processus qui produisent, alimentent et vieillissent les conceptions.
La cinétique chimique nous renseigne sur la vitesse à laquelle les espèces chimiques se transforment en nouvelles substances en brisant et en reformant leurs liaisons moléculaires. En d'autres termes, elle étudie les taux et les processus des réactions chimiques.
La cinétique chimique étudie la vitesse des réactions tandis que la thermodynamique
étudie si la réaction va se produire et dans quelle direction
Il convient de noter que la cinétique chimique diffère de la thermodynamique de la chimie. La cinétique détermine comment et à quelle vitesse on y arrive, tandis que la thermodynamique détermine la direction dans laquelle on va et où on finit par arriver.
Pensez-y de cette façon : si les produits chimiques sont en équilibre thermodynamique, il n'y aura pas de réaction, même si la cinétique indique qu'il existe des voies de réaction.
Tout a une énergie potentielle. Une pomme dans l'arbre a le potentiel de tomber. Lorsqu'elle tombe, son énergie potentielle gravitationnelle est convertie en énergie cinétique.
Vous pouvez considérer la thermodynamique de la chimie de la même manière. L'énergie libre de Gibbs, également appelée énergie potentielle chimique, vous indique si les espèces chimiques se transforment en d'autres espèces.
Chaque mélange chimique possède une énergie libre de Gibbs différente en fonction de sa température, de sa pression et de sa composition. Connaître la valeur potentielle de chaque espèce dans une réaction chimique permet aux ingénieurs de déterminer si et comment elles vont réagir.
L'énergie libre de Gibbs peut être utilisée pour
évaluer la capacité d'une réaction
de procéder dans un sens ou dans l'autre.
Si l'énergie potentielle des produits est supérieure à celle des réactifs, il existe une barrière pour que cette réaction ait lieu. Si l'énergie potentielle des produits est inférieure à celle des réactifs, la réaction aura lieu.
Tout comme la pomme qui tombe de l'arbre, la nature veut déplacer la réaction vers un point qui minimise l'énergie potentielle.
Par conséquent, si un ingénieur voulait pousser une réaction d'équilibre à produire un certain produit, il pourrait manipuler le potentiel chimique de son mélange chimique en modifiant la température, la pression et les concentrations des espèces.
Les lois de vitesse et les ordres de réaction décrivent les réactions chimiques élémentaires.
Ces réactions réversibles peuvent impliquer :
La vitesse de cette réaction est de
dépend de la concentration
de molécules rouges et jaunes
L'ordre de réaction fait référence au nombre d'espèces chimiques impliquées en tant que réactifs.
Les réactions uni moléculaires, où une molécule se désagrège, ont un ordre de réaction de un. Les réactions qui nécessitent la collision de deux molécules/atomes ont un ordre de deux et ainsi de suite.
Pour les réactions non élémentaires (souvent appelées "globales"), l'ordre de réaction peut être déterminé de manière empirique.
zA + yB + ... + aZ = Produits
Taux = k ∙ [A]z ∙ [B]y ∙ ... ∙ [Z]a
Il n'est pas pratique de déterminer la valeur de k pour chaque réaction, que ce soit par mesure ou par dynamique moléculaire computationnelle. Heureusement, les ingénieurs peuvent déduire la vitesse de réactions inconnues à partir d'une bibliothèque de valeurs de taux pour des réactions connues. Ainsi, en étudiant et en classant les réactions élémentaires, les scientifiques ont développé des règles de vitesse pour estimer d'autres réactions.
D'autres facteurs peuvent affecter la vitesse de réaction :
Souvent, les manuels de génie chimique énumèrent une réaction globale comme ils le feraient pour des réactions élémentaires :
zA + yB + ... + aZ = Produits
En réalité, cette réaction pourrait comporter des milliers de sous-réactions élémentaires se produisant par étapes. La réaction globale - lorsque toutes les réactions élémentaires s'achèvent - peut alors être simplifiée en composants A, B, C et D ci-dessus.
Les essais physiques et les géométries complexes rendent difficile de
optimiser des réactions complexes. Cependant, la simulation peut simplifier
l'évaluation de ces systèmes
Certaines de ces sous-réactions peuvent ne pas dépendre de la pression ou de la température. D'autres peuvent être assez complexes, nécessitant la collision de trois espèces ou plus avant de réagir. D'autres encore peuvent être accélérées par l'introduction d'un catalyseur qui oblige le système à privilégier certaines voies de réaction.
Néanmoins, chacune de ces sous-réactions peut affecter la vitesse de la réaction globale de diverses manières. Les manuels peuvent apprendre aux ingénieurs à combiner les réactions élémentaires pour donner un sens à la réaction globale. Cependant, lorsque vous avez des centaines d'espèces et des milliers de réactions, le processus est trop complexe pour que l'homme moyen puisse le manipuler.
Traditionnellement, les ingénieurs étaient contraints de déterminer le taux de réactions complexes de manière expérimentale. De nos jours, il est facile d'utiliser la simulation pour étudier ces réactions afin de trouver la température, la recette du procédé ou la pression optimales pour faire évoluer le système vers des voies dominantes spécifiques.
Pour comprendre comment cette chimie peut optimiser les produits, prenons un exemple concret, comme la réduction des émissions des moteurs.
La conversion du carburant en dioxyde de carbone, en eau et en diverses particules alimente la vie quotidienne. Cependant, les effets sur l'environnement et la santé des produits finis ne peuvent être ignorés.
Grâce à la cinétique chimique et à la thermodynamique, les ingénieurs peuvent contrôler la façon dont le carburant brûle afin de réduire les émissions de certains polluants.
Cinétique et thermodynamique chimiques
peut aider les ingénieurs à concevoir
de meilleurs moteurs et réacteurs
La clé est de contrôler la température, la pression et les mélanges d'air dans le moteur afin que les processus qui produisent le plus d'énergie dominent - avec le moins de polluants.
Le problème est que l'essence n'est pas une espèce chimique monolithique. Elle est composée d'une distribution de substances dont les concentrations peuvent varier en fonction du lieu, de la saison et des procédés de fabrication. Par conséquent, les ingénieurs doivent concevoir le moteur de manière à ce qu'il fonctionne avec une variété de carburants.
Des milliers de réactions sont en jeu dans le moteur, ce qui en fait un système complexe. Par conséquent, la meilleure façon de contrôler les processus dominants est d'utiliser la simulation.
La simulation peut évaluer toutes les réactions chimiques potentielles en les incluant dans une simulation de dynamique des fluides computationnelle (CFD) du moteur. Les ingénieurs peuvent ensuite utiliser ces simulations pour affiner et optimiser les conceptions jusqu'à ce que les processus cibles dominent.
Les ingénieurs peuvent également ajouter d'autres aspects du moteur à la simulation pour étudier les compromis en matière d'efficacité du moteur, les effets du carburant, le transfert de chaleur, etc. Ils sont ainsi en mesure d'optimiser une pléthore de conceptions de réacteurs chimiques.
Pour en savoir plus, consultez le site Ansys Chemkin-Pro et regardez le webinaire : Using Detailed Chemistry in Ansys Chemkin-Pro for More Accurate CFD Combustion and Reacting Flow Simulations.
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