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Cours de Thermodynamique Physique pour Licence 2 Prof. KOUADIO Yves CHAPITRE 0:

Cours de Thermodynamique Physique pour Licence 2 Prof. KOUADIO Yves CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE CHAPITRE 1: LE PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE CHAPITRE 2: THÉORIE CINÉTIQUE DU GAZ PARFAIT CHAPITRE 3: PROPRIÉTÉ ÉNERGÉTIQUE DES GAZ PARFAITS CHAPITRE 4: LE SECOND PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE CHAPITRE 5: PROPRIÉTÉS DES CORPS PURS 1 CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 1- Principes de la thermodynamique classique La thermodynamique est développée à partir de deux principes : Le Premier Principe caractérise les phénomènes de transformation de l’énergie d'un point de vue quantitatif (principe de l’équivalence). Le Second Principe détermine le sens d’évolution des transformations (principe d’évolution). Remarque : Ces deux principes ne partent d'aucune hypothèse sur la structure de la substance, ce qui permet de faire intervenir les méthodes thermodynamiques dans de très nombreux domaines. 2 L’objet de la thermodynamique est de décrire les propriétés des systèmes macroscopiques. Un système macroscopique est un système constitué d’un grand nombre de particules. La thermodynamique s’intéresse aux propriétés "moyennes" de cet ensemble de particules qui constituent le système. L’échelle typique du nombre de constituants est donnée par le nombre d’Avogadro: ઑ= ǥ. ǟX × Ǡǟ−ׇ׉ ɃX −ׅ CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 2- Définitions On distingue trois types de systèmes: Système ouvert, Système fermé, Système isolé Système ouvert: Un système est dit ouvert s'il peut se transformer en échangeant de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur. Il interagit en permanence avec son environnement (exemple: Une capsule contenant quelques gouttes d'essence auxquelles on a mis le feu ; dans ce cas, le système (la capsule et son contenu) fournit de l'énergie calorifique au milieu extérieur dont la température au voisinage de la capsule s'élève et envoie également de la matière dans le milieu extérieur (les produits de combustion gazeux ne restent pas dans la capsule). Système fermé: Un système est dit fermé si ses frontières sont telles qu'aucune masse ne peut ni s’échapper ni pénétrer dans le système mais les échanges d’énergie avec le milieu extérieur sont possibles (exemple: Un tube à essai hermétiquement clos dans lequel se produit une réaction qui dégage de la chaleur. Il n’y a pas de passage de matière du système vers le milieu extérieur, ni dans l'autre sens). Système isolé: Un système isolé est un système dont les frontières empêchent tout échange d’énergie et de matière avec l'entourage. Le seul système véritablement isolé est l'univers; ce qui reste un postulat à démontrer!(exemple: Un calorimétre " idéal " est un système isolé; un calorimétre est une bouteille thermos soigneusement fermée par un bouchon qui empèche les échanges de chaleur et de matière avec le milieu extérieur). Cependant, des systèmes véritablement isolés n'existent pas dans la réalité physique. Système physique: Un système physique est une portion d'univers que l'on peut séparer du reste de l'univers à l’aide d'une paroi réelle ou virtuelle. Exemple : un liquide contenu dans un réservoir 3 CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 2- Définitions Athermane ou calorifugé: Lorsqu’un système possède une paroi imperméable à la chaleur, qui empeche tout transfert thermique, la paroi est athermane ou calorifugée. La transformation est donc presque toujours adiabatique. Adiabatique: Lorsqu'un système possède une paroi n'admettant aucun transfert de chaleur, la paroi est adiabatique . Une paroi adiabatique peut échanger de la chaleur, sous forme de travail. Quasi-statique: C’est une transformation infiniment lente, en tout cas, suffisamment lente pour que le système soit en équilibre thermique et mécanique avec l’extérieur tout au long de la transformation. Diatherme ou diathermane: Lorsqu'un système possède une paroi thermiquement conductrice de la chaleur, la paroi est diatherme ou diathermane 4 CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 2- Définitions Variables thermodynamiques: L’état d'un système est défini à l'aide d'un certain nombre de grandeurs macroscopiques qui décrivent les propriétés globales du système. Ces grandeurs sont appelées appelées variables thermodynamiques ou variables d‘état. Exemples de variables d’état : le volume, la pression, la température, l’énergie, l’entropie, la densité, la conductibilité, la viscosité... Les variables ne sont pas toutes indépendantes : il existe des relations entre les variables. L'expérience montre qu'il suffit de se donner la valeur d'un petit nombre de ces variables pour caractériser le système. Perméable: Lorsqu'un système possède une paroi permettant l’échange de matière, la paroi est perméable . 5 CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 2- Définitions Variables liées: Toutes les autres variables sont appelées variables liées puisque fonction des variables indépendantes Variable extensives et variables intensives: On peut classer les variables d’état en deux grandes catégories: Les variables extensives dont la valeur est proportionnelle à la masse du système (par exemple: masse, volume, énergie, entropie, etc.) ; Les variables intensives dont la valeur est indépendante de la quantité de matière contenue dans le système (par exemple: température, pression, masse volumique, etc.) Variables indépendantes: On appelle variables indépendantes, les variables d’état qui permettent de définir totalement l’état d'un système. 6 CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 2- Définitions Milieu extérieur: tout corps ne faisant pas partie du système étudié 7 Etat du système: A un instant t, l'état du système est représenté par l'ensemble des valeurs des grandeurs physiques (variables thermodynaniques) qui le caractérisent (exemple: ǔ, ǀ, ƾ) Réservoir thermique: source de chaleur dont la température reste constante quels que soient les échanges effectués avec les systèmes thermodynamiques en présence Thermostat: source de chaleur dont la température peut être fixée par l'expérimentateur, quels que soient les échanges effectués avec les systèmes en présence. Dans un thermostat, la température ne varie jamais, même si le système échange de l’énergie, que ce soit sous forme de travail ou de transfert thermique. Lorsque les propriétés macroscopiques sont les mêmes en tout point du système, il est dit "homogène"; dans le cas contraire, il est "hétérogène". Toute partie homogène constitue une "phase". CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 2- Définitions ƺ, son volume ǀ et sa température ƾ et vérifie une loi d’état de la forme ȼ(Ȭ, Ȳ, Ȱ) = ǟ . Équilibre thermodynamique: On appelle équilibre thermodynamique la situation dans laquelle un système, soumis à des paramètres extérieurs constants, a atteint un état dans lequel toutes ses propriétés macroscopiques (celles qui nous intéressent ici !) sont constantes en fonction du temps. A l’équilibre, l’état thermodynamique du système est donc parfaitement défini même si le système est toujours le siège de mouvements microscopiques internes. L’état d’équilibre est réalisé lorsque les variables ont une valeur indépendante du temps. Le système reste indéfiniment dans cet état. Fonction d’état: Une fonction d’état est une relation entre les variables d’état. Par exemple, un fluide uniforme au repos peut être caractérisé par sa pression 8 CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 2- Définitions Remarque: Pour différencier un état d’équilibre d’un état stationnaire on peut remarquer que si on isole un système à l’équilibre de son environnement, il reste dans le même état, alors que ce n’est pas vrai pour un système stationnaire. L’énergie: Dans ce cours, Nous considérons des systèmes macroscopiques dans un référentiel galiléen au repos, c’est-à-dire dont l’impulsion du centre de masse et le moment cinétique du centre de masse sont nuls. Dans ce cas, l’énergie totale Ư du système est égale à son énergie interne 2ƿ. Du point de vue microscopique, l’énergie interne est la somme de l’énergie cinétique de chaque particule constituant le système, de l’énergie d’interaction entre particules et de l’énergie potentielle individuelle de chaque particule (par exemple l’énergie potentielle gravitationnelle). Les phénomènes de transport: Ils correspondent à des situations stationnaires mais pas à l’équilibre thermodynamique (conduction de courant dans un fil). 9 CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 2- Définitions Nous étudierons seulement les systèmes sous une seule phase, appelés corps purs. Phase d’un système thermodynamique: C’est toute partie d’un système dont les grandeurs intensives sont des fonctions continues des coordonnées de l’espace. Lorsqu’il y a discontinuité d’au moins une grandeur intensive, on parle de changement de phase. Une phase est homogène (ou uniforme) si tous les paramètres intensifs sont homogènes, c’est-à-dire indépendants du point considéré. Corps pur: La matière composant le système peut se présenter sous trois aspects : solide, liquide ou gazeux. Le système pouvant être complexe, les trois états peuvent coexister. Les systèmes fluides seront souvent des systèmes gazeux ou des systèmes avec changement d’état. Pendant le changement d’état, il peut y avoir un fort changement de volume mais la quantité de matière reste la même. Phase et mélange: Un système peut se trouver, simultanément ou non, sous plusieurs phases, telles que solide, liquide ou gaz. 10 CHAPITRE 0: NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA THERMODYNAMIQUE 2- Définitions Transformations ou processus thermodynamiques: La thermodynamique étudie le passage d'un système d'un état d’équilibre ( état initial) vers un autre état d’équilibre ( état final ). Ce passage est appelé transformation thermodynamique ou processus thermodynamique Transformation ouverte: Quand l’état d’équilibre final est différent de l’état d’équilibre initial, le système a décrit une transformation ouverte. Transformation cyclique ou fermée: Lorsque l’état final, après un certain nombre de transformations, est identique à l’état initial, le système a décrit uploads/Geographie/ cours-thermodynamique-mi2.pdf