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AUX ORIGINES DE LA THERMODYNAMIQUE Cours de Découverte première année Domaine S

AUX ORIGINES DE LA THERMODYNAMIQUE Cours de Découverte première année Domaine ST Compte: Decouverte.19@gmail.com Mot de passe: Dec19Dec La thermodynamique une discipline pour l'ingénieur , elle est enseignée dans les flières : Licence en Chimie Licence en Physique Génie des Procédés Génie Mécanique Génie Civile Licence en Hydraulique Thermo/dynamique étude du comportement thermique étude de la variation d’énergie 1. Défnition de la thermodynamique: La thermodynamique est une science qui étudie le comportement thermique des corps purs en plein transformations physiques. La thermodynamique s’intéresse à l'étude de la variation de l’é i (U i ti d l’é i C'est au 19e siècle que thermodynamique a connu son essor. Elle a permis de comprendre le comportement des machines thermiques, comme les machines à vapeur centrales et locomotives à vapeur qui étaient au cœur de la révolution industrielle au début de ce siècle. ssance et histoire de la thermodynamiq nctionnement d’une machine à vapeur: Les premières machines à vapeur fonctionnelles ont été inventées par deux mécaniciens anglais Thomas Newcomen et Thomas Savery (1712). Par la suite, cette invention a été améliorée par l’écossais James Watt (1769) qui a démontré qu’on pouvait appliquer une énergie appelée « Le Travail ». Cette énergie est notée «W» et porte l’initiale du nom de Watt mais c’est une énergie exprimée en Joule ou Calorie. Le travail « W » est un concept lié à l’énergie potentielle (Ep) connu en science physique: E totale= Ep+Ec , mais en thermodynamique on parle de variation d’énergie interne U=W+Q (U: énergie interne, Q : chaleur, W: Travail) La machine à vapeur de Watt a été réellement synonyme de progrès. Le fonctionnement de la machine à vapeur repose sur : 1. l’évaporation d’une quantité d’eau se fait grâce au charbon brulé. La vapeur d’eau (un gaz) provoque une pression de gaz qui pousse un piston dans le sens de la feche (point « B » ouvert avec point « A » fermé). 2. Ce piston qui se trouve à l’intérieur d’un cylindre connecté à un deuxième cylindre (B’ ouvert et A’ fermé) est utilisé comme protection anti-retour muni d’un robinet pour évacuer l’excédant de l’eau liquide (vapeur d’eau condensée en eau li id ) L’invention de James Watt est mis au proft d’appareils tels des bateaux à vapeur, des pompes à eau, des trains à vapeur et des moulins à vapeur. Son utilisation s'accroît très fortement pendant la révolution industrielle du 18e siècle. Un corps pur est une substance chimique composée d'un seul type d’élément chimique . Le corps pur se trouve à l’état solide, liquide ou gaz. Le contraire du corps pur est appelé « un mélange ». Les corps purs peuvent aussi se présenter sous deux formes : 1. Corps simples: sont constitués d'un seul même type d'atomes mais sont associés en molécules, comme par exemple, dans le dihydrogène gazeux (H2) ou le dioxygène (O2) et le diazote gazeux (N2). 2. Corps composés: sont constitués d'atomes diférents, regroupés en molécules identiques, en sels, en . Corps pur: Transformations physiques : Il existe trois états physiques: GAZ - LIQUIDE - SOLIDE Liquéfaction Condensation Quelques exemples: Bateau de liquéfaction du gaz naturel (gaz naturelliquide) Sublimation de la neige carbonique en CO2 gazeux (CO2 solide  CO2 gaz) La chaleur latente : C'est la quantité de chaleur qu'il faut fournir à un corps pur (se trouvant à pression constante) pour le faire passer d'un état physique à un autre état physique sans modifer sa température. Q = m L (chaleur massique) ou Q = n L (chaleur molaire) L est la chaleur latente , il existe : LF (chaleur latente de fusion) et LV (chaleur latente de vaporisation). kJ/kg (unité massique) LF et LV s'expriment en kJ/mol ou Kcal/mol Thermométrie : -Le thermoscope de Galilée est le premier thermomètre de l’histoire inventé en 1592 par Galilée (de son vrai nom: Galileo Galilei). - Il ne donnait pas la valeur de la température, mais une indication sur sa variation. - Il s’agit d’un instrument de mesure de la température basé sur le principe de la poussée d'Archimède et de la dilatation de la matière. -Le thermoscope de Galilée est un tube qui contient des objets fottants (cinq, sept ou huit boules) sur lesquels une valeur de température est indiquée sous forme d’un chifre Chifre =8 Chifre=2 •En 1654, Ferdinand De Toscagne met au point le premier thermomètre à liquide doté d'une échelle graduée, il s’agissait d’un instrument à alcool portant 50 graduations. •En 1702, l'astronome danois Ole Roemer fabrique un autre modèle à alcool marquant l'eau bouillante à 60°. •En 1717, le physicien allemand Daniel Gabriel Fahrenheit invente le thermomètre moderne et il remplace l'alcool par du mercure (Hg). Ce thermomètre repose sur la mesure de la dilatation du mercure en fonction de la température. Il invente également l’é h ll d t é t i t °F (D é es premiers thermomètres: Thermomètre à alcool Thermomètre à mercure Thermomètre à sonde (digital) Thermomètre à Laser ou à infrarouge 8.1 Echelle Fahrenheit: Daniel Gabriel Fahrenheit avait fxé (à pression atmosphérique normale) les repères suivants: 32°F = la température de fusion de la glace 212°F = le point d'ébullition de l'eau . 8. Echelles de température: 8.2. L ’échelle de Celsius. En 1742, le physicien suédois Anders Celsius invente un thermomètre à mercure qui marquait : 0° C au point de congélation de l'eau 100°C au point d'ébullition de l'eau. En 1794, Anders Celsius décide que le « degré thermométrique » sera la centième partie de la distance entre le terme de la glace et celui de l'eau bouillante, soit T =0-100 = +100 Ce système appelé échelle centésimale ou échelle de Celsius a été adopté dans la plupart des pays (sauf la Grande-Bretagne qui utilise uniquement l'échelle h h i ) 8.3. L ’échelle Kelvin. Le physicien britannique William Thomson (Lord Kelvin) a introduit une innovation qui est le Zéro absolu . L’échelle la plus commode utilisée thermodynamiquement pour la température d’un gaz parfait est exprimée en Kelvin (K), elle permet de mesurer le degré d'agitation des molécules gazeuses. Nous n’utiliserons pas les degrés Celsius (°C) ou le Fahrenheit (F°) car dans l’équation d’état P .V = n.R.T, seule l’unité K est utilisée par convention. Cette « échelle kelvin » est liée à l’échelle Celsius par Défnition d’un Thermomètre en chimie: - En chimie, un thermomètre est un appareil destiné à repérer et mesurer des températures. - Un thermomètre est mis en équilibre thermique avec le corps pur lorsqu’on veut connaître la température exacte du corps qui est en contact avec un milieu exterieur. Défnition des grandeurs thermométriques: Comment fabriquer un thermomètre grâce à la dilatation d’un liquide: • Une petite bouteille en verre • Une paille ou un petit tube transparent en plastique. • Du colorant alimentaire bleu ou encre bleu • De la pâte à modeler • Un morceau de carton sur lequel sera dessinée une échelle avec un feutre • De la colle forte • Un vrai thermomètre qui lle centésimale utilisée pour fabriquer un thermo Pour déterminer la température d'un corps pur, on choisit une relation qui lie la grandeur thermométrique  avec celle de la température réelle T. Il faut choisir des divisions X correspondent à des graduations sur un thermomètre. Ensuite , on adopte une équation linéaire comme relation entre la grandeur thermométrique  et la grandeur thermométrique X qu’on appellera échelle linéaire de température ou échelle centésimale qui s’exprime selon l’équation: X = .  +  (avec = X0) X varie linéairement avec  On fxe le point haut à la division=100=X100 fxé à 100°C qui représente l'ébullition de l'eau et le point bas à la division=Zéro=X0 qui est la glace fondante fxé à Quand  =100  X=X100  X100 = . (100) + X0 a pente de la droite sera: = l'ébullition de l'ea Glace fondante X100 X0  mplace la pente dans l’équation linéaire: obtient : Pour un thermomètre calibré Puisque =T=X Donc on peut remplacer T par V ou par P grâce à la relation : V=nR T  PV=constante T et on obtient: P V 10, Relation entre la température et la chaleur: La température absolue, en Kelvin, permet d'exprimer la proportionnalité énergétique entre deux états, elle est liée directement à la chaleur Q, La mesure de la température n'est possible qu'avec cette échelle et pas avec les autres échelles (Celcius, Farenheit...etc) car avec les autres échelles on ne peut pas comparer des états énergétiques , exemple : le °C sert uniquement à identifer les repères thermométriques et les changements physiques, Q= Kelvin AUX ORIGINES DE LA THERMODYNAMIQUE Cours de Découverte première année Domaine ST 1 10 . Les gaz parfaits: Les gaz parfaits ont été découverts grâce aux expériences qui obéissent aux lois suivants: 1. Loi Boyle-Mariotte: Cette loi démontre que lorsqu’un gaz est enfermé dans une enceinte, ses particules en mouvement heurtent les parois de l’enceinte. Ces chocs répétés donnent naissance à la pression du gaz notée « P ». Robert Boyle (1627-1691) est un physicien et chimiste irlandais. uploads/Histoire/ de-couuuverte-pdf-version-1.pdf