Apprentissage de la thermodynamique par le calcul numérique avec Jupyter Notebook (Python) ?

Dans le cadre du cours MCG 2530 – Thermodynamique 1 du semestre d’automne 2025, la partie B (facultative) des devoirs a été conçue pour introduire progressivement les étudiants à l’utilisation de Jupyter Notebook (Python) comme outil d’analyse et de modélisation en thermodynamique. Contrairement aux exercices classiques papier-crayon, ces activités mettent l’accent sur : 

• la résolution numérique des équations de la thermodynamique, 

• la visualisation des résultats (diagrammes, courbes, comparaisons de modèles), 

• et surtout, le lien direct avec des problèmes d’ingénierie réels, inspirés de la pratique industrielle et de la recherche. 

Les étudiants travaillent dans un environnement interactif combinant code, équations, graphiques et commentaires, reflétant des méthodes modernes utilisées en génie mécanique, énergétique et environnemental. 

🔹 Devoir D1.B – Introduction à Jupyter Notebook et à la thermodynamique computationnelle 

Les étudiants découvrent Jupyter Notebook et les librairies Python de base (NumPy, Matplotlib, Cantera).  À travers des exemples concrets, ils apprennent à : 

• explorer les propriétés thermodynamiques de substances réelles, 

• tracer des diagrammes T–v et P–v, 

• analyser les fluides supercritiques et leurs contraintes en ingénierie. 

• Objectif : poser les bases du calcul numérique appliqué à la thermodynamique. 

🔹 Devoir D2.B– Mitigation de la glace frasil dans les centrales hydroélectriques 

Ce devoir est basé sur un problème réel critique au Canada : la formation de glace frasil dans les prises d’eau.  Les étudiants utilisent Python pour comparer deux stratégies industrielles : 

• le chauffage de l’eau, 

• un système de bullage à air comprimé, 

• Ils estiment les besoins énergétiques, comparent les coûts et discutent des hypothèses physiques. 

• Objectif : relier la thermodynamique à des enjeux énergétiques et environnementaux concrets. 

🔹 Devoir D3.B – Gaz parfaits, gaz réels et compression du gaz naturel 

Inspiré du transport industriel du gaz naturel, ce devoir amène les étudiants à : 

• comparer le modèle de gaz parfait à un gaz réel (via Cantera), 

• évaluer le travail de compression jusqu’à 200 bar, 

• estimer le coût énergétique réel du transport du gaz comprimé. 

• Objectif : comprendre les limites des modèles idéalisés dans un contexte industriel. 

🔹 Devoir D4.B – Incandescence induite par laser (LII) : système fermé 

Ce devoir introduit un problème issu de la recherche en combustion et diagnostics laser. Les étudiants développent un modèle numérique pour prédire l’évolution de la température d’une particule de suie exposée à une impulsion laser, en résolvant un bilan d’énergie dépendant du temps. 

• Objectif : appliquer le premier principe à un système transitoire microscopique à l’aide du calcul numérique. 

🔹 Devoir D5.B – Incandescence induite par laser (LII) : système ouvert 

Dans la continuité du devoir D4, ce dernier devoir enrichit le modèle en introduisant la sublimation de la particule, transformant le problème en système ouvert avec perte de masse. Les étudiants modélisent simultanément : 

• l’évolution de la température, 

• la perte de masse, 

• la variation du diamètre de la particule. 

• Objectif : illustrer concrètement la différence entre systèmes fermés et ouverts dans un contexte de recherche avancée. 

L’utilisation de Jupyter Notebook dans ces devoirs permet aux étudiants de : 

• développer des compétences en programmation scientifique, 

• manipuler des modèles réalistes, 

• et adopter des pratiques proches de celles utilisées en recherche et en industrie. 

Cette approche favorise une compréhension plus profonde de la thermodynamique, au-delà des équations, en montrant comment les concepts fondamentaux se traduisent en outils d’analyse concrets. 

Remerciements   

Ces travaux n’auraient pas pu voir le jour sans l’engagement, la motivation et le sérieux des étudiantes et étudiants ayant participé activement à la réalisation de ces devoirs. Je remercie l’ensemble des étudiantes et étudiants pour leur engagement. Une mention spéciale est accordée à Shea Kennedy et Mateo de Grace pour l’excellence de leur travail !