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THERMODYNAMIQUE THERM 1 Plan du cours Chap.1: Introduction à la thermodynamique

THERMODYNAMIQUE THERM 1 Plan du cours Chap.1: Introduction à la thermodynamique Chap.2: Chaleur, température et énergie interne Chap.3: Travail et diagramme P(V) Chap.4: Premier principe de la thermodynamique Chap.5: Les gaz parfaits Chap.6: Les machines thermiques Fabien.delaleux@u-pec.fr 2 Chap.1: Introduction à la thermodynamique Thermodynamique? - étude des lois régissant la conversion de l’énergie d’une forme en une autre et des échanges d’énergie entre différents systèmes physiques. - elle étudie les transformations des systèmes ouverts ou fermés, isolés ou non - Elle s’intéresse au système d’un point de vue macroscopique c’est à dire à l’échelle humaine et que l’on considère l’ensemble du système caractérisé par des grandeurs comme la pression, le volume et la température 3 Système thermodynamique Définition: Objet dont on veut étudier les interactions avec le milieu extérieur Casserole d’eau Réfrigérateur Centrale thermique Systèmes ouverts: échange matière avec extérieur Système fermé: n’échange pas matière avec extérieur Mais échange d’énergie avec extérieur 4 Etat d’un système, variables d’état L’état instantané d’un système est défini par la connaissance d’un nombre fini de grandeurs physiques macroscopiques (volume, pression, température, potentiel électrique etc..). Volume Température Pression etc… Variables d’état = 5 Equilibre thermodynamique d’un système - mécanique : La somme de toutes les forces appliquées au système est nulle. Notion d’équilibre: - chimique : il n’existe pas de réaction chimique à l’intérieur du système. - thermique : les diverses parties du système sont à la même température et si lorsqu’il n’est pas isolé, il n’y a aucun échange d’aucune sorte avec l’extérieur 6 Equilibre thermodynamique d’un système - Système en équilibre: pas d’échange de matière ni d’énergie avec l’extérieur - pression, température, volume etc… indépendants du temps. - Le système peut évoluer d’un état d’équilibre vers un autre en échangeant de l’énergie avec l’extérieur. 7 Chap.2: Chaleur, température et énergie interne En physique, la température indique son niveau d’excitation interne: énergie cinétique élevée = température élevée Molécules immobiles les unes par rapport aux autres: le corps n’a plus de vibration interne : cet état définit la température zéro. Qu'appelle t’on température? Sensation de chaud = transfert de chaleur de l’extérieur vers notre corps Sensation de froid = transfert de chaleur de notre corps vers l’extérieur 8 Mesure des températures Comment mesurer une température? Principe zéro de la thermodynamique : Deux systèmes qui sont en équilibre avec un même troisième sont en équilibre thermique entre eux On dit alors que A et B sont à la même température puisque C est dans le même état d’équilibre avec A qu’avec B: C est un thermomètre La grandeur mesurée pour définir l’équilibre thermique est appelée grandeur thermométrique (par exemple, le volume pour un thermomètre à mercure, ) 9 Principes thermométriques Principe thermométrique: la loi physique responsable de la variation de la grandeur thermométrique avec la température On définit ensuite arbitrairement, une fonction thermométrique établissant la relation entre la grandeur thermométrique x et la température T(x). Exemples: - dilatation des liquides (mercure) - thermomètres à résistance métallique (sonde de platine) - thermomètres à résistance semi-conductrice, thermistance - thermocouples - thermomètres à gaz Sondes PT100 Thermistance Thermocouple Thermomètre à gaz 10 Echelles de température Celsius Fahrenheit Kelvin 0°C =point glace à la pression atmosphérique normale (1,01325 105 Pa) 100°C = point vapeur à la pression atmosphérique normale. 32°F =point glace à la pression atmosphérique normale (1,01325 105 Pa) 212°F = point vapeur à la pression atmosphérique normale. 273 K = point triple de l’eau (solide, liquide, gaz) 0K = zéro absolu, absence de mouvement 15 . 273 ) ( ) (    C T K T 32 ) ( ) ( 5 9     C T F T 11 Quelques exemples… 12 Notion de chaleur Attention: chaleur et température sont 2 notions différentes Sensation de froid: il perd de la chaleur (que l’on notera Q). Pourtant sa température interne est restée à 37°C, il a donc cédé de la chaleur Q sans se refroidir. La température extérieure est de 20°C, on s’y sent bien alors que dans l’eau à la même température on avait froid…comment expliquer cela ? Maintenant alors qu’il fait toujours 20°C, le vent se lève et là nous avons une sensation de froid alors que la température extérieure n’a pas changé 13 Notion de chaleur Bain de glace à T = 0°C Maintenant, nous chauffons ce bain de glace, que se passe-t-il ? La glace va commencer à fondre et devenir liquide mais le thermomètre va toujours nous indiquer 0°C Explications : notre sensation de chaud ou de froid ne dépend pas uniquement de la température de notre corps ou de l’environnement qui nous entoure mais également de la chaleur, que nous perdons ou emmagasinons. 14 Reprenons nos exemples L’eau (bon conducteur de chaleur) évacuait beaucoup de chaleur de notre corps qui était compensée en interne pour maintenir notre température constante à 37°C. Mais on avait froid….donc température et chaleur sont bien des notions différentes. L’air (bon isolant thermique), on perdait donc moins de chaleur que dans l’eau (pourtant l’eau et l’air étaient à même température). Puis le vent s’est levé, il a évacué une plus grande quantité de chaleur de notre corps d’où la sensation de froid. La sensation de froid ou de chaud est donc un équilibre entre chaleur perdue et reçue. Nous avons apporté de la chaleur au bain de glace ce qui a fait fondre en partie la glace mais n’a pas modifié sa température. Un corps qui reçoit de la chaleur ne voit pas forcément sa température augmenter tout comme un corps qui cède de la chaleur ne voit pas obligatoirement sa température diminuer. 15 La chaleur: une grandeur physique mesurable On définit C la chaleur massique ou capacité calorifique qui est la faculté d’un corps de masse M à céder de la chaleur Q pour se refroidir d’un certain delta T (ou à stocker de la chaleur Q pour se réchauffer d’un certain delta T). Q est en Joule (J), M en kilogramme (kg), C en J.kg-1.K-1, ΔT en Kelvin (K). T C M Q   16 La chaleur est une forme d’énergie Expérience de Joule (1850) Elévation de température due à une énergie mécanique (frottements des pales) Chaleur et énergie mécanique ont le même effet (ΔT) La chaleur est une forme d’énergie: énergie thermique Capacité calorifique de l’eau à 20°C = 4180 J.kg-1.K-1 17 Chaleur sensible et chaleur latente La relation est cependant mise en défaut par l’exemple suivant On chauffe la glace (on lui apporte une certaine énergie Q) mais sa température reste constante (ΔT = 0) Il y a donc 2 formes d’énergie thermique: - Quand Q entraîne un ΔT : chaleur sensible et donc Q = M C ΔT - Quand Q n’entraîne pas de ΔT: chaleur latente T C M Q   18 Chaleur latente La chaleur reçue a servi à créer un changement de phase, de l’état solide (glace) à l’état liquide (eau) sans augmenter la température : cette chaleur est appelée chaleur latente. Elle correspond à l’énergie que doit perdre ou gagner un corps pour changer de phase. Pour faire fondre une masse m de 1kg de glace à 0°C il faudra apporter une quantité de chaleur égale à la chaleur latente de fusion de la glace que l’on note Lf. Avec : QL en Joule (J) ; m la masse en kg et Lf la chaleur latente en J.kg-1. Changement de phase: T et P constantes f L L m Q .  19 Chaleur latente Chaleur latente: très utilisée dans le monde industriel (stockage, réfrigérateur, moteur etc…) Réfrigérateur utilise les changements de phase liquide/gaz d’un fluide frigorigène qui permet d’absorber de la chaleur à faible température (et donc refroidir l’intérieur du réfrigérateur) Chaleur latente = l’inertie, la résistance d’un corps à changer de phase Corps Argent Platine Fer Glace Lf (J.kg-1) 1,02.105 1,11.105 2,7.105 3,52.105 C (J.kg-1.K-1) 232 133 444 4186 Chaleur fournie pour faire fondre le fer à T constante = Chaleur à fournir pour ΔT de 608°C 20 Energie interne Energie interne d’un corps: énergie totale que peut fournir un corps uniquement sous forme de chaleur, c’est-à-dire si sa température chute jusqu’à 0K. Difficile à quantifier: on ne parlera en général que de variations d’énergie interne ΔU au cours d’une transformation 21 Chap.3: Travail et diagramme P(V) Définition: - autre forme d’énergie que la chaleur - intervient dès qu’il y a mouvement ou déformation d’un corps F = 400N L = 1m Si F est constante Dans le cas général: F varie suivant x Le travail fourni au corps représente l’aire comprise entre la courbe F(x) et l’axe des x entre x1 et x2 Thermodynamique = étude des échanges chaleur/travail sur un corps J L F dx F dx F W L L x L 400 1 400 . . 0 0 0         L F W   12 2 1 2 1 . W dx F W x x x x    22 Travail des forces de pression Pression d’un uploads/Finance/ cours-therm1.pdf