thermodiagrammes

Diagrammes thermodynamiques d'un fluide réel, étiquetés et prêts à distribuer en exercice : (P, h) des frigoristes, (T, s) entropique, (h, s) de Mollier, (P, v) de Clapeyron et diagramme de phases (P, T). Les propriétés viennent de CoolProp ; le paquet trace la courbe de saturation et les isolignes avec leurs étiquettes, calcule les états d'un cycle fixés par deux grandeurs et dessine les transformations qui les relient, le tout dans les unités d'affichage choisies (bar, kJ/kg, °C… par défaut), les nombres écrits avec une virgule.

from thermodiagrammes import PH

diagramme = PH("R134a", hlim=(100, 500), plim=(0.5, 50))  # kJ/kg, bar
diagramme.cree(figsize=(12, 8))
diagramme.saturation()
diagramme.trace_isos("T", [-40, -20, 0, 20, 40, 60, 80], position=0.6)  # °C
vapeur = diagramme.etat(T=-10, Q=1)  # Etat(T=-10.0, P=2.006, h=392.7, s=1.733, v=0.0996, x=1.0)
diagramme.ajoute_point(vapeur.h, vapeur.P, "1")
diagramme.enregistre()  # Diagramme_Ph_coolprop_R134a.pdf

Le paquet s'installe depuis GitHub (ci-dessous). Pas de PyPI.

Sommaire

• Ce qu'il fait
• Installation
• Prérequis
• Prise en main
• Les cinq diagrammes
• Les unités d'affichage
• Fluide : les propriétés en SI
• Pièges
• Les modules
• Exemples
• Tester
• Antériorité
• Licence

Ce qu'il fait

• Cinq diagrammes avec la même interface : PH, TS, HS, PV et PT, tous avec cree, saturation, trace_isos, etat, coordonnees, trace_chemin, ajoute_point et enregistre ; la fenêtre par défaut entoure le dôme de saturation.
• Des isolignes exactes : isothermes, isobares, isenthalpes, isentropes, isochores et isotitres, calculées sur la plage que l'on voit, avec le palier de vaporisation inséré exactement et le dôme fermé au point critique ; une étiquette par courbe, posée parallèlement à elle, là où on la demande (position), avec ou sans unité.
• Des cycles : etat(T=…, P=…) donne un Etat (T, P, h, s, v, x) à partir de deux grandeurs parmi T, P, H, S, V et Q ; trace_chemin dessine une isobare, une isenthalpe, une isentrope, une isotherme (palier compris), une isochore ou un segment entre deux états, avec une flèche dans le sens du parcours.
• Un diagramme de phases PT avec les courbes de vaporisation, de fusion (loi de CoolProp) et de sublimation (Clausius-Clapeyron depuis le point triple), le point triple et le point critique.
• Les unités d'affichage au choix (Unites) : bar, kJ/kg, kJ/K/kg, m³/kg et °C par défaut ; Pa, kPa, MPa, J, MJ, L/kg, kelvin… Tout ce que l'on donne et tout ce que l'on lit est dans ces unités ; la virgule décimale ne touche pas à la locale.
• Fluide, les propriétés CoolProp en SI avec des arguments nommés (eau.H(T=373.15, Q=1)), nan hors du modèle au lieu d'une exception, le volume massique, les courbes de saturation et de fusion.

Installation

Avec pip depuis PyPI, quand le réseau et pip sont disponibles :

pip install thermodiagrammes

(ou uv add thermodiagrammes). Depuis GitHub, pour la version de développement :

pip install git+https://github.com/antnardo/thermodiagrammes

Avec la roue d'une release, pour un poste qui a pip mais pas git : chaque release porte thermodiagrammes-<version>-py3-none-any.whl (et le sdist .tar.gz, avec examples/), qui s'installe par pip install thermodiagrammes-<version>-py3-none-any.whl.

Copier le dossier, sans pip ni réseau : le dossier src/thermodiagrammes/ se pose à côté des scripts, et from thermodiagrammes import PH fonctionne, à condition d'exécuter le script depuis son dossier et que CoolProp, numpy et matplotlib soient déjà installés.

Pour développer, un clone et uv :

git clone https://github.com/antnardo/thermodiagrammes
cd thermodiagrammes && uv sync && uv run pytest

Prérequis

Python 3.11 ou plus récent, avec CoolProp (6.6 ou plus, testé avec 8), numpy (1.26 ou plus) et matplotlib (3.8 ou plus). CoolProp est une dépendance du paquet, pas une option : pip et uv l'installent avec lui (roue binaire, rien à compiler). Le paquet est testé sous Python 3.11 et 3.14.

Prise en main

Un diagramme se construit avec le nom CoolProp du fluide ("Water", "R134a", "Nitrogen" ou un alias : "N2", "R728", "CO2") ou un Fluide déjà créé, et la fenêtre dans les unités d'affichage (hlim, plim, slim, Tlim, vlim selon le diagramme ; par défaut, le dôme de saturation). cree ouvre la figure (ses arguments vont à plt.subplots) et règle les axes : échelle logarithmique de la pression, grilles, graduations à virgule ; la figure et les axes restent accessibles par diagramme.fig et diagramme.ax.

import numpy as np
from thermodiagrammes import PH

diagramme = PH("R134a", hlim=(100, 500), plim=(0.5, 50))  # kJ/kg, bar
diagramme.cree(figsize=(12, 8))
diagramme.saturation()
diagramme.trace_isos("T", np.arange(-40, 121, 20), position=0.6)  # °C
diagramme.trace_isos("S", np.arange(1.0, 2.01, 0.1), unite=False, chiffres=1)  # « s=1,7 »

# Cycle frigorifique : évaporation à −10 °C, condensation à 40 °C
un = diagramme.etat(T=-10, Q=1)  # vapeur saturante à la sortie de l'évaporateur
trois = diagramme.etat(T=40, Q=0)  # liquide saturant à la sortie du condenseur
deux = diagramme.etat(S=un.s, P=trois.P)  # compression isentropique
quatre = diagramme.etat(H=trois.h, P=un.P)  # détente isenthalpique
print(f"w = {deux.h - un.h:.1f} kJ/kg, q_froid = {un.h - quatre.h:.1f} kJ/kg, x4 = {quatre.x:.2f}")
# w = 33.8 kJ/kg, q_froid = 136.3 kJ/kg, x4 = 0.34
points = {nom: (e.h, e.P) for nom, e in zip("1234", (un, deux, trois, quatre))}
for depart, arrivee, grandeur in (("1", "2", "S"), ("2", "3", "P"), ("3", "4", "H"), ("4", "1", "P")):
    diagramme.trace_chemin(points[depart], points[arrivee], grandeur)
for nom, angle in zip("1234", (-90, 90, 90, -90)):
    diagramme.ajoute_point(*points[nom], nom, angle=angle)
diagramme.enregistre()  # Diagramme_Ph_coolprop_R134a.pdf

Les méthodes, communes aux cinq diagrammes :

trace_isos et saturation rendent les Line2D tracées, trace_chemin la sienne : on peut leur donner un label pour une légende, ou les retoucher.

Les isothermes et les isobares traversent le dôme par leur palier exact (les deux points de saturation sont insérés) ; les isotitres se referment au point critique ; une isoligne est calculée sur la plage de T et de P que la fenêtre montre, pas au-delà, et s'interrompt sans erreur là où le modèle du fluide s'arrête.

Les cinq diagrammes

Tous acceptent aussi label (nom du fluide dans le titre), unites (un Unites) et titre ("" pour aucun). Diagramme(fluide, x, y, …), leur base, trace n'importe quel couple parmi T, P, H, S, V.

PT : saturation trace la vaporisation du point triple au point critique, la fusion quand CoolProp a une loi de fusion pour le fluide (eau, azote, CO₂…), et la sublimation si L_fusion (enthalpie massique de fusion, dans l'unité de h : 333,5 kJ/kg pour l'eau, 196 pour le CO₂) est donnée, par Clausius-Clapeyron depuis le point triple avec L_sub = L_vap(T_t) + L_fusion. point_triple, point_critique, vaporisation(), fusion() et sublimation() donnent ces courbes en unités d'affichage ; par défaut, la fenêtre descend sous le point triple.

Les unités d'affichage

Limites, isolignes, états, points, enthalpie de fusion : tout ce que l'on passe à un diagramme, et tout ce qu'il rend (Etat, coordonnees, isoligne, les courbes de PT), est dans ses unités d'affichage, un Unites :

from thermodiagrammes import PH, Unites

diagramme = PH("Water", unites=Unites(T="kelvin", P="MPa", H="MJ"), hlim=(0, 4), plim=(0.001, 50))
diagramme.etat(T=373.15, Q=0)  # P en MPa, h en MJ/kg, s en kJ/K/kg, v en m³/kg

Unites.texte(grandeur) écrit l'unité en mathtext. Les nombres s'écrivent avec une virgule (formate_nombre(1.5) donne "1,5", les graduations aussi) sans setlocale : rien ne change pour le programme appelant.

Changer d'unité

Deux mondes, une règle : Fluide parle en SI (K, Pa, J/kg, J/K/kg, m³/kg, comme CoolProp), un diagramme parle dans ses unités d'affichage. Entre les deux, le paquet fournit les passages ; un - 273.15 ou un / 1e3 écrit à la main est le signe qu'il en manque un.

Un scalaire rend un float, un tableau un tableau. Avant et après :

from thermodiagrammes import PV, celsius

diagramme = PV("Water", vlim=(1e-4, 12), plim=(0.1, 1000))
f = diagramme.fluide  # SI
# Avant : des conversions à la main, et une erreur en embuscade
Tc = f.Tcrit - 273.15
T = [100, Tc, 2 * (Tc + 273.15) - 273.15]
h_c = f.H(T=f.Tcrit, D=f.rhocrit) / 1e3
# Après : Tc reste en kelvin, le diagramme fait les conversions
Tc = f.Tcrit
T = [100, celsius(Tc), celsius(2 * Tc)]
h_c = diagramme.etat_critique().h

Fluide ne prend pas d'unités : c'est la couche CoolProp, et la cohérence des unités tient à ce qu'elle n'en ait qu'un jeu. Pour un calcul en SI à partir d'un état lu sur le diagramme, unites.vers_si("H", etat.h) ou kelvin(etat.T).

Fluide : les propriétés en SI

Fluide enrobe CoolProp.PropsSI pour un fluide pur, en SI (K, Pa, J/kg, J/K/kg, m³/kg) : les diagrammes s'en servent, et il sert seul pour un calcul.

from thermodiagrammes import Fluide

eau = Fluide("Water")
eau.H(T=373.15, Q=1)           # enthalpie de la vapeur saturante à 100 °C, J/kg
eau.T(H=2_675_570, P=101_325)  # et réciproquement : toute paire de grandeurs
eau.prop("D", P=1e5, T=300)    # grandeur quelconque de CoolProp (ici la masse volumique)
eau.Psat(373.15), eau.Tsat(1e5), eau.L_vap(373.15)
eau.Tfus(1e8), eau.Pfus(260)   # courbe de fusion (CoolProp), nan hors de son domaine
eau.courbe_saturation(), eau.courbe_fusion()   # (T, P) du point triple au point critique
eau.Ttriple, eau.Ptriple, eau.Tcrit, eau.Pcrit, eau.rhocrit, eau.Tmax, eau.Pmax, eau.M, eau.r

prop(sortie, **deux_entrees) accepte toute paire d'entrées que CoolProp accepte (T, P, Q, H, S, D, V, U…) et des tableaux ; T, P, Q, H, S, U, D, V sont des raccourcis, V le volume massique (l'inverse de D). Un état hors du modèle vaut nan, scalaire ou dans un tableau, au lieu d'une exception. phase(P=…, T=…) nomme la phase, derivee("H", "T", "P", P=…, T=…) donne une dérivée partielle (ici c_p).

Pièges

• Des valeurs en SI données à un diagramme. diagramme.etat(P=1e5, Q=1) cherche 10⁵ bar : l'état vaut nan et un avertissement demande si les valeurs sont bien en unités d'affichage. Même chose pour une isoligne entièrement hors du modèle (trace_isos("P", [50_000])). En SI, c'est Fluide qu'il faut.
• CoolProp manquant. import thermodiagrammes lève alors ImportError: CoolProp manque : pip install CoolProp ; cela n'arrive qu'au dossier copié sans installation, pip et uv l'installant avec le paquet.
• Fluides purs seulement. Fluide("INCOMP::MEG-50%") (fluide incompressible) lève ValueError: inconnu de CoolProp ; un mélange "Water&Ethanol" est réduit à son premier composant par CoolProp, sans erreur : vérifier fluide.nom.
• etat et coordonnees veulent exactement deux grandeurs, parmi T, P, H, S, V et Q ; trace_isos("X", …) ou chemin(…, "U") lèvent un ValueError qui liste les grandeurs possibles.
• enregistre avant cree échoue (AssertionError) ; les autres méthodes de tracé créent la figure d'elles-mêmes.
• PT(...).sublimation() sans L_fusion lève ValueError ; fusion() lève ValueError pour un fluide dont CoolProp n'a pas la loi de fusion, et saturation passe alors la courbe sous silence.
• plt.tight_layout() déplace le cadre des axes : à éviter quand un corrigé pose ses points en TikZ à des coordonnées fixes sur la figure (les exercices appellent ax.set_position).
• L'étiquette d'une isoligne n'est posée que si un point de la courbe est visible ; une courbe entièrement hors de la fenêtre n'en a pas.

Les modules

Exemples

Le dossier examples/ montre chaque diagramme ; les scripts s'exécutent depuis un dossier de travail, où ils écrivent leurs figures :

pv_eau.py et diagrammes_simplifies_eau.py demandent une distribution LaTeX (text.usetex).

Tester

uv run --python 3.11 pytest
uv run --python 3.14 pytest
uv run ruff check src tests examples && uv run ruff format --check src tests examples
uv run mypy
uv build

Les tests vérifient les isolignes contre Fluide (palier exact, dôme fermé au point critique, nan hors du modèle avec avertissement), les unités, les étiquettes, les états et les chemins d'un cycle, le diagramme de phases (points triple et critique, sublimation du CO₂ à −78,5 °C sous une atmosphère) et la tête de paquet. L'intégration continue (.github/workflows/ci.yml) rejoue tout cela à chaque push sous Python 3.11 et 3.14 ; à chaque release publiée, publish.yml vérifie que l'étiquette est la version du paquet et joint la roue et le sdist à la release.

Antériorité

Le code descend des scripts py4phys de J.-J. Fleck (lycée Kléber, 2014) pour les diagrammes (P, h), (T, s) et (P, v) sur CoolProp, adaptés à partir d'octobre 2015 pour les figures d'exercices et d'activités documentaires de MP (géothermie, cycles frigorifiques, TH-FI01, TH-MT10…), repris en entier en août 2018, rangés en paquet thermo en 2023, puis réécrits en 2026 dans le dépôt privé pyphysique (pyphysique.thermo.diagrammes, pyphysique.thermo.fluide) avec les cinq diagrammes, les états et les cycles ; ce dépôt les publie, seuls les chemins d'import changent.

CoolProp.Plots.PropertyPlot trace les mêmes isolignes, mais sans étiquettes ni cycle ; fluprodia étiquette les isolignes et place des états, mais sans virgule décimale ni transformations tracées entre deux états. luacoolprop de Christophe Jorssen (CTAN, septembre 2026) fait la même chose dans LuaTeX : la bibliothèque partagée de CoolProp chargée par FFI, les cinq mêmes diagrammes tracés par pgfplots avec la courbe de saturation, les isotitres, les chemins de transformation et des étiquettes placées automatiquement (pgfplots-autonode), pour LaTeX, plain TeX et ConTeXt ; il demande --shell-escape et une CoolProp installée à part. Ici, Python et matplotlib sans TeX : les états se calculent et les figures se tracent dans le même script, celui d'un corrigé pythontex ou d'une feuille d'exercices.

Licence

Le code — le paquet (src/) et les tests — est sous licence MIT (LICENSE). Les exemples (examples/), qui sont du contenu scientifique et pédagogique plutôt que des algorithmes, sont sous licence Creative Commons Attribution - Pas d'utilisation commerciale - Partage dans les mêmes conditions 4.0 International, CC BY-NC-SA 4.0 (LICENSE-CC-BY-NC-SA-4.0).