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FILIERE: SMP1 – SMC1 – SM1 MODULE : PHYSIQUE 2 COURS DE THERMODYNAMIQUE Pr. Kam

FILIERE: SMP1 – SMC1 – SM1 MODULE : PHYSIQUE 2 COURS DE THERMODYNAMIQUE Pr. Kamal MAHDOUK www.your1guide.blogspot.com SOMAIRE 1. QUELQUES DEFINITIONS 2. QUANTITE DE CHALEUR ET TRAVAIL 3. ENERGIE INTERNE ET PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE 4. LES COEFFICIENTS CALORIMETRIQUES 5. LE SECOND PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE 6. LES MACHINES THERMIQUES www.your1guide.blogspot.com LA THERMODYNAMIQUE La thermodynamique est née vers les années 1820, au début de l’ère industrielle, de la nécessité de connaître, sur les machines thermiques déjà construites, la relation entre les phénomènes thermiques et les phénomènes dynamiques d’ou son nom. CHAPITRE 1 QUELQUES DEFINITIONS www.yor1guide.blogspot.com Chapitre 1: QUELQUES DÉFINITIONS I- Le système : I-1 Définitions : Le système S est une partie de l'univers à laquelle on porte de l’intérêt. Le reste de l’univers est appelé « milieu extérieur ». Il est constitué d'un grand nombre de particules microscopiques délimitées par une surface fixe ou mobile, à travers laquelle s'effectuent des échanges d'énergie et de matière avec le milieu extérieur. - système fermé : il peut échanger avec l’extérieur de l’énergie mais pas de la matière. Exemple : Le circuit frigorigène d’un réfrigérateur. - système isolé : il ne peut échanger avec l’extérieur ni énergie ni matière. Énergie Un système peut être ouvert , fermé ou isolé : - système ouvert: il peut échanger avec l’extérieur de la matière et de l’énergie. Exemple : du bois qui brûle. Énergie Matière I-2 Conventions : Les échanges d'énergie entre le système et le milieu extérieur s'effectuent par transfert de travail W ou de chaleur Q. Le signe des quantités W et Q est défini conventionnellement. Les énergies échangées avec le milieu extérieur seront affectées : - d'un signe positif lorsqu'elles seront reçues par le système - d’un signe négatif lorsqu’elles seront cédées par le système. II- État d’un système, variables, équations et fonctions d’état : II-1 Variables et équation d’état : Connaître l’état d’un système, c’est déterminer (à tout instant t) les valeurs et le nombre minimum de variables mesurables (la quantité de matière, la pression, la température, le volume…) appelées pour cette raison variables d’état capables de décrire le système. Les variables d’état ne sont toujours pas indépendantes, certaines d’entre elles peuvent être liées par une relation appelée équation d’état du type : f(P,V,T,…) = 0 L’exemple le plus connu est celui du GAZ PARFAIT, pour lequel la pression P, le volume V, la température T et le nombre de moles (n) sont liés par la relation : PV – nRT = 0 Dans ce cas, il n’y a que deux variables indépendantes : P = f(V,T) ou V = f(P,T) ou T = f(V,P) . Il suffit donc, pour définir l’état d’une certaine quantité de gaz parfait, de connaître la valeur de deux des trois variables puisque celle de la troisième en résulte. On peut séparer l'ensemble de ces variables d'état en : - variables extensives, proportionnelles à la masse du système. Elles sont additives lors de la réunion de deux systèmes de même nature. Exemple : masse, volume, nombre total de particules…. - variables intensives, indépendantes de la quantité de matière contenue dans le système. Exemple : pression, température, masse volumique…. Exemple : 1 litre d’eau à 300K + 1 litre d’eau à 300K 2 litres d’eau à 300K Le volume est une grandeur extensive La température est une grandeur intensive. V1;T V2;T V1 + V2 ; T II.2 Fonction d’état : Souvent, on peut réaliser des transformations entre un état 1 (état initial) et un état 2 (état final) de plusieurs façons différentes, c.à.d en empruntant des chemins différents. En général, la variation f , entre l’état 1 et l’état 2, d’une fonction f dépend du chemin suivi. Il existe en thermodynamique des fonctions f(P,V,T,…) liées aux variables d'état dont les variations f au cours d'une transformation sont indépendantes du chemin suivi. Ces fonctions sont dites fonctions d'état : f12 = f2 - f1 quelque soit le chemin suivi Exemple: L’enthalpie H et l’énergie interne U sont des fonctions d’état mais le travail W et la chaleur Q ne sont pas des fonction d’état. III- Représentation graphique d’un état : Considérons un système constitué de n moles d’un gaz parfait. Son état à un instant t est déterminé par la connaissance de deux variables d’état indépendantes. Cet état peut ainsi être représenté par un point dans l’un des digrammes suivants : B (PB,VB) P V P T Diagramme de Clapeyron Diagramme (P,T) PA PB A (PA,V A) VA VB A (PA, TA) B (PB,TB) TA TB V T A(V A, TA) B(VB, TB) TA TB Diagramme (V,T) Dans le diagramme de Clapeyron: L’état A est caractérisé par les variables thermodynamiques PA, VA, et TA = PAVA /nR L’état B est caractérisé par les variables thermodynamiques PB, VB, et TB = PBVB /nR IV- État d’équilibre : Un système se trouve dans un état d’équilibre si les variables qui définissent son état ne varient pas au cours du temps, et si les variables intensives ont la même valeur dans toute l’étendue du système : Par exemple : - Si la température est la même en chaque point et n'évolue pas au cours du temps, on a un équilibre thermique. - Si la pression est la même en chaque point et n'évolue pas au cours du temps, on a un équilibre mécanique. P1V1T1 m1 P2V2T2 m2 V- Transformation d’un système V-1 Transformation quasi-statique C’est une transformation constituée d’une suite continue d’états d’équilibre interne pour le système étudié. A tout instant de la transformation, les variables du système sont définies. V-3 Transformation irréversible C’est une transformation (brutale, Spontanée) qui ne répond pas au critère précédent. C’est le cas si les états intermédiaires ne sont pas des états d’équilibre. V-2 Transformation réversible C’est une transformation qui se fait par une succession d’états d’équilibre infiniment voisins, la condition d’équilibre concerne aussi bien le système étudié que le milieu extérieur. V-4 Remarques: - Une transformation quasi statique n'est pas nécessairement réversible (la traction sur un fil en dehors de la limite d'élasticité peut être réalisée de façon quasi statique et est irréversible). - Une transformation est réversible si la transformation inverse passe par les mêmes états intermédiaires dans le sens inverse. État 1 V P État 2 État 1 V P État 2 V1 V2 C’est une transformation au cours de laquelle le volume demeure constant (V = Cste). C’est une transformation au cours de laquelle la pression demeure constante (P = Cste). V-5 Transformations Particulières : Transformation Isochore Transformation Isobare Transformation Isotherme (Cas du gaz Parfait) État 1 V P État 2 V1 V2 Transformation Cyclique V P État 1=État 2 P1 - P2 - C’est une transformation au cours de laquelle la température demeure constante (T = Cste). Pour ce type de transformation l’état final est identique à l’état initial. V-6 Transformation Adiabatique : C’est une transformation au cours de laquelle le système n’échange pas de chaleur avec le milieu extérieur. CHAPITRE 2 QUANTITE DE CHALEUR ET TRAVAIL www.your1guide.blogspot.com Chapitre II : QUANTITE DE CHALEUR ET TRAVAIL I- La chaleur : Deux corps de températures différentes mis en contact échangent de l’énergie calorifique de manière à parvenir à un état d’équilibre thermique où la température est la même pour les deux corps. Un des corps a perdu une partie de son énergie au profit de l’autre. On dit que les deux corps ont échangé de la chaleur. A B Q L’échange de chaleur peut avoir lieu selon 3 modes différents : - La conduction : La chaleur passe d’un corps à l’autre par simple contact matériel, A B Q - La convection : La chaleur est entraînée par un fluide en mouvement, A B Q - Le rayonnement : La chaleur est portée, à travers le vide ou un milieu transparent, par une onde électromagnétique. A B La chaleur est une forme spéciale de l'énergie :  à l'échelle microscopique, c'est une énergie cinétique échangée par agitation moléculaire (c’est à dire par chocs entre les molécules en mouvement)  c'est une énergie qui s’exprime soit en joule [J] soit en calorie [cal] (1 calorie = 4.186 Joules) Remarques :  un échange de chaleur peut s’effectuer sans que la température varie : (Q  0; dT = 0). Exemple : la fusion d’un morceau de glace à 0°C (changement d’état d’un corps). Chaleur et Température sont deux grandeurs différentes.  il peut y avoir variation de température sans qu’il y ait échange de chaleur (Q = 0; dT  0). C’est le cas des transformations adiabatiques. Paroi adiabatique I-1 Chaleur Massique : Lorsqu'un système absorbe une quantité de chaleur infinitésimale Q et que sa température varie d’une quantité infinitésimale dT (elle passe de T à T+ dT ), on définit la chaleur massique c du système par : ( ou Q = mcdT ) dT Q m c  1  m étant la masse du système c la chaleur massique à la température T exprimée en [Jkg-1K-1]. Pour un système décrit par les trois variables P, V et T reliées uploads/Industriel/ cours-de-thermodynamyque.pdf