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1 I - Généralités La thermodynamique est une science qui étudie: Les transforma

1 I - Généralités La thermodynamique est une science qui étudie: Les transformations,physiques ou chimiques, de la matière (système) de point de vue des variations et des échanges (avec le milieu extérieur) d’énergie mises en jeu. caractérise les états d’équilibre des systèmes. prévoit l'évolution des transformations des systèmes en fonction des contraintes appliquées ou levées. 1) Définitions et objectifs de la thermodynamique: 2 l'aspect macroscopique : on s'intéresse aux propriétés de la matière à l'échelle globale (l’observable) alors les propriétés sont décrites par des variables d'état macroscopiques telles ( P, V, T, m...) Thermodynamique Classique Thermodynamique Classique l'aspect microscopique : on s'intéresse aux propriétés de la matière à l'échelle microscopique ou atomique en utilisant comme variables les grandeurs cinétiques des atomes ou molécules individuelles (pi ,vi ,Ei ...) Thermodynamique Statistique…… peu d’intérêt ici (1ère A) 2) Les deux aspects de la thermodynamique : 3 II - Systèmes et variables thermodynamiques, transformations et états d’équilibre 1) Définition d ’un système thermodynamique Pour décrire d ’un point de vue thermodynamique un système, il faut à la fois : définir le système, étudié, en délimitant ses frontières par rapport au milieu extérieur déterminer l'état du système défini par ses variables P, T, V, n Le système est défini comme une partie de matière (de masse donnée) délimitée par rapport au milieu extérieur. Le milieu extérieur est le reste de l'espace entourant le système. Le système et le milieu extérieur sont séparé par une surface réelle ou imaginaire…( psychologiquement on s’associe souvent au système!!) Exemple de systèmes : bulle de savon, cellule, chambre de combustion, cocotte minute, un verre d’eau... Système Noté: σ σ σ σ milieu extérieur Noté:σ σ σ σ1ou σ σ σ σext 4 σ ext Système Noté: σ σ σ σ milieu extérieur Noté:σ σ σ σ1ou σ σ σ σext 5 •Le système σ σ σ σ peut être ouvert, fermé, ou isolé : Système Echange Matière Echange Energie Exemple isolé non non Univers fermé non oui Flacon fermé ouvert oui oui cocotte minute •Convention de signe dite du banquier : système σ σ σ σ est la référence: très important -ce qui reçu par σ σ σ σ est compté >0 -ce qui est cédé par σ σ σ σ est compté <0 6 2) Constituants d ’un système Les constituants d ’un système sont les cops purs de nature chimique différente, qui se trouvent à l’intérieur du système. 3) Etat d ’un système, variable d’Etat est défini ou décrit par ses variables macroscopiques ( P, V, T, n...) dites aussi variables d'état. 4) Notion de phase Toute partie homogène (ou continûment hétérogène) d’un système. 7 5) Variables d’extension et de tension extensives et intensives •Variable d ’extension : variable d ’état, qui dépendant de l ’étendue du système masse, volume, charge électrique •Variable de tension : variable d ’état, indépendante de l ’étendue du système Pression, Température 8 6) Equation d’état Les variables d'état ne sont pas toutes indépendantes, mais liées entre elles par des équations, qui sont dites équations d'état du type : f(p,V,T) = 0. Exemple du gaz parfait : 3 variables,une équation 2 variables indépendantes PV = nRT PV-nRT = 0 f(P,V,T,n) = 0 P = f(V,T) ou V = f(P,T) ou T = f (P,V) Ces variables ne sont définies qu’à l’équilibre Variance d’un système: nbre de variables indépendantes, nécessaire de fixer pour définir complètement l’état du système 9 7) Etat d’équilibre • Les variables d'état restent fixes avec le temps pour chaque phase • Pas de transformation apparente à notre échelle (macroscopique) 8) Transformations : passage d’un état d’équilibre vers un autre état d ’équilibre 1 2 Etat initial Etat final • Variations des variables • Echanges de matière, de chaleur, de travail, … Ιl peut y avoir: Transformation ouverte Transformation fermée 10 9) Transformation Quasi-statique Expérience : Gaz H2O lumière V P T • H2O s’évapore très très lentement •Le gaz subit une transformation infiniment lente •P V très lentement A chaque instant le système est proche d ’un état d’équilibre Variables d’état du système : valeurs définies et mesurables à tout instant Pext = Pgaz = F / S À tout instant Processus quasi-statique P V Gaz parfait Pext 11 10) Transformations réversibles et irréversibles • le système et l’extérieur sont à chaque instant en état d’équilibre au cours de la transformation • si on reverse au cours du temps latransformation, le système et l’extérieur repassent par tous les états d’équilibre antérieurs • Les variables d’état sont à tout instant définies et mesurables • elles sont reliées par l ’équation d ’état (exple: PV = nRT) Transformation irréversible impossible de décrire à tout instant l’état du système 12 On distingue entre différentes transformations qui sont facilement représentées dans ces diagrammes précédents (par des droites verticales ou horizontales), à savoir : - la transformation cyclique l’état initial et final sont confondus - la transformation isochore (V = cste) - la transformation isobare (P = cste) - la transformation isotherme (T = cste) satisfaisant à : PV = cte - la transformation adiabatique (Q = 0) 11) Transformations particulières 13 12) Transformation brusque Expérience : gaz V P T • Echelon de pression Pext •Le gaz subit une transformation brutale •P V Rupture brutale des conditions d ’équilibre Variables thermodynamique du système : valeurs non définies, non mesurables... Pext = F / S ≠ ≠ ≠ ≠Pgaz à tt instant Processus brusque : non réversible t P Pgaz = constante = Pfinal= Pex 14 III - Les énergies non calorifiques définition : Faculté que possède un corps à fournir du travail • Exemple 1: fil élastique = système Fext δl l • Le fil s ’allonge de δl • Il en résulte un travail δW δW = Fext . δl • Transformation quasi-statique Fext = Tension du fil T δW = T . δl Variable de tension du système Variable d ’extension du système • Mécanique • Chimique • Nucléaire, …. 1) Variation d’énergie : forme mathématique 15 Quelques formes d’énergie courantes: δW = X . dx, 16 δW = X . dx • forme mathématique A chaque forme d ’énergie W correspond un couple de variables •de tension X •d’extensité x Caractéristique de cette énergie, telles que : Si plusieurs tensions Xi δW = Σ Xi . dxi 17 P V Gaz parfait 2) Transformation réversible de A à B A B W =  X1 . dx1 ⌡ A B A B ⌡  X2 . dx2 + + … 3) Transformation brusque de A à B Tension extérieure Xie demeure une constante Xie = constante W = Σ Xie dx1 ⌡ B A 4) Sens de l ’échange Si X1>X2 W va de σ1 vers σ2 18 5) Transformateurs d’énergie • Transformateur d’énergie échange d’énergie sous une tension X constante Wσ σ σ σ1 = Xσ σ σ σ1 dx1= Xσ σ σ σ1 (xB - xA) = Xσ σ σ σ1 ∆x ⌡ A B σ σ σ σ1 = source: Transformation du système σ σ σ σ1 de l’état A vers l’état B la source σ σ σ σ1 fournit à σ σ σ σ l’énergie Wσ σ σ σ1 Wσ σ σ σ1 =  X σ σ σ σ1 . dx1 ⌡ A B Xσ σ σ σ1 constante • Source d’énergie. Tout système qui peut accomplir un nombre indéfini de cycles état final = état initial 19 • Fonctionnement des transformateurs (énergie non calorifique) * Une seule source d’énergie σ σ σ σ1 de tension X1 σ σ σ σ1 σ σ σ σ X1 ∆x (ext. Conservative, indestructible) - X1 ∆x La quantité d’énergie échangée au cours du cycle est nulle * Deux sources d’énergie σ σ σ σ1 de tension X1 et σ σ σ σ2 de tension X2 : X1>X2 σ σ σ σ1 σ σ σ σ X1 ∆x σ σ σ σ2 X2 ∆x il reste à σ σ σ σ : (X1-X2) ∆x σ σ σ σ recoit X1 ∆x de σ1 σ1 σ1 σ1 et cede X2 ∆x à σ2 σ2 σ2 σ2 il faut que σ σ σ σ s’en débarrasse ! Comment ? 20 Fonctionnement des transformateurs Nécessité d’avoir 4 sources σ σ σ σ1 σ σ σ σ X1 ∆x σ σ σ σ2 X2 ∆x σ σ σ σ’1 σ σ σ σ’2 X’1 ∆x’ X’2 ∆x’ (X1-X2) ∆x = (X’1-X’2) ∆x’ conclusion : Si l’on dispose d’une forme d’énergie non calorifique à deux sources, on ne peut faire autrement que de la transformer intégralement en une autre forme d’énergie non calorifique à deux source exemple : transformation d’énergie gravifique en énergie électrique Energie formeA Energie forme B 21 Energie gravifique Energie électrique Forme A: gravifique Forme B électrique (h’-h)gdm (E’-E)dq 22 •l'énergie du système se conserve au cours des transformations du système (c.à.d ne se dégrade pas) • l'énergie du système est seulement transformée d'une forme d'énergie en une autre (équivalence des formes d'énergie) Principe de conservation de l’énergie 23 III - uploads/Geographie/ cours-thermo-pdf.pdf