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THERMODYNAMIQUE CLASSIQUE MODULE X12P020 Année 2020-2021 Gilberto Domingues Mod

THERMODYNAMIQUE CLASSIQUE MODULE X12P020 Année 2020-2021 Gilberto Domingues Modalités de contrôle des connaissances 3 Tests Madoc portant sur les trois premières séries de TD : 15 % de la note de CC Contrôle continu : 40 % de la note finale Session finale en Mai : 60 % de la note finale 1 Devoir sur feuille portant sur les 4 premières séries de TD (Fin Mars/début Avril) : 85 % de la note de CC Introduction Introduit par William Thomson en 1849. C’est le domaine de la physique qui traite des phénomènes de transferts thermiques et de leurs liens éventuels avec les phénomènes mécaniques (magnétiques, électriques). La thermodynamique a permis de mettre au point les premières machines à vapeur. Ethymologie : grec Thermos qui signifie chaleur et Dunamicos que l’on associe à fort, puissant. Deux approches : Thermodynamique statistique, description détaillée du comportement des atomes ou molécules d’un gaz (3ème année), Thermodynamique classique, abstraction de la réalité moléculaire et application de deux principes fondamentaux. Notre approche : Etudier les systèmes thermodynamiques à très grand nombre particules. Gilberto Domingues Transparent 1 Principe de conservation de l’énergie et sens des évolutions : 1ère et 2ème année Transferts thermiques (quantification des apports de chaleur) : 3ème année Introduction Expérience de Joule Apport de travail W1 Dégagement de chaleur Q2 1. Le principe de conservation de l’énergie Augmentation de la température de l’eau Baisse de la température de l’eau 2 1 Q W = Gilberto Domingues Transparent 2 On constate une équivalence travail/chaleur L’eau est un système thermodynamique subissant des évolutions Introduction Schématisation d’une installation de centrale thermique 2. Les domaines d’application de la thermodynamique Gilberto Domingues Transparent 3 a. Production de travail Machines thermiques Moteurs thermiques : essence, diesel Turbine Alternateur Tour de refroidissement (Condenseur) Pompe Compression d’eau liquide par la pompe : travail fourni WP Vaporisation de l’eau liquide dans la chaudière : apport de chaleur QC Liquéfaction partielle de l’eau dans la turbine: production de travail WT Liquéfaction de l’eau dans le condenseur : perte de chaleur QF Production d’électricité Sources de chaleur : - charbon, gaz - nucléaire, - solaire. Rivière Liquide saturé Liquide comprimé Vapeur surchauffée Vapeur humide Chaudière (Générateur de vapeur) Introduction Gilberto Domingues Transparent 4 Isolant Couverture transparente Entrée eau Sortie eau Rayonnement Convection Effet de serre Te Ts b. Transferts de chaleur Capteur solaire thermique Introduction Gilberto Domingues Transparent 5 Production d’eau chaude sanitaire Ballon de Stockage Pompe Capteur solaire Energie électrique d’appoint Eau chaude sanitaire Entrée d’eau froide Machines thermiques Pompe à chaleur (géothermie très basse température) Climatiseur, réfrigérateur Introduction Gilberto Domingues Transparent 6 c. Astrophysique et planétologie Systèmes de refroidissement d’appareils de mesure sur le rover Curiosity Compréhension de l’effet serre qui a été nécessaire au développement de la vie sur Terre Calcul de la température de surface d’une étoile liée à sa couleur Introduction Gilberto Domingues Transparent 7 d. Santé Plongée sous marine : narcose à l’azote, paliers de remontée... Etude des échanges thermiques entre le corps humain et son environnement : mort prématurée du nourrisson, modèle thermométrique en médecine légale... Traitement thérapeutique des cancers. Nanoparticules d’or Chaines de polymère Echauffement photo-induit Rétractation des chaines de polymère Agglomération et diffusion de la chaleur dans la tumeur Introduction Gilberto Domingues Transparent 8 Nécessité de caractériser les états de la matière Equations d’état T V p , , H U, Rendement d’une installation Premier principe Second principe Précise le sens des évolutions Relier les variables mesurables Travail W et chaleur Q Calcul Calcul Hydrostatique des fluides Calorimétrie Cp, Cv Interviennent dans le calcul Interviennent dans le calcul Pertes thermiques Influencent S Caractérise le stockage de la chaleur Interviennent Calcul de la pression d’un liquide Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique I. Les différents états de la matière 1. Définition du corps pur Gilberto Domingues Transparent 9 Un corps pur est un corps formé d’atomes ou de molécules identiques. Il apparaît principalement sous 3 phases : solide, liquide, gaz. Les états liquide et solide sont appelés Etats condensés tandis que les états liquide (également) et gaz sont appelés Etats fluides. Argon solide : les atomes oscillent autour d’une position d’équilibre. Argon liquide : les atomes sont libres de se mouvoir du fait que les forces d’interaction (attractives et répulsives) entre les particules sont faibles. Gaz d’Argon : les interactions entre particules sont très rares. Silice (SiO2) β-cristobalite α−quartz Gilberto Domingues Transparent 10 Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique Dans le cas des solides, il existe différentes structures que l’on appelle variétés allotropiques présentant des propriétés physiques différentes. Carbure de Silicium (SiC) SiC 2H SiC 3C SiC 4H Schéma des changements de phases SOLIDE LIQUIDE GAZ Fusion Vaporisation Solidification Liquéfaction ou condensation Sublimation Condensation Gilberto Domingues Transparent 11 Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique 2. Changement de phase Gilberto Domingues Transparent 12 Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique 3. Diagrammes de phase Un système thermodynamique peut être décrit par des variables mesurables telles que : la pression p, la température T et le volume V. On peut relier ces variables mesurables par une équation mathématique de la forme f(p,V,T)=0. Grâce à cette équation mathématique, on peut tracer dans un espace à trois dimensions une surface appelée Surface d’état. Le diagramme à trois dimensions permet de mettre en évidence des zones distinctes où les phases gaz, solide et liquide apparaissent seules ou coexistent. Surface d’état générale pour un corps pur liquide gaz solide p T C t C p t p p V A B D E solide liquide gaz Tt T0 TC C VC TC T0 Tt A B D E Diagramme (p,T) d’un corps pur Gilberto Domingues Transparent 13 Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique L+G S+L S+G S+L+G On projette généralement cette surface à trois dimensions sur les plans (p,T) et (p,V) afin de mieux visualiser. Diagramme de Clapeyron (p,V) d’un corps pur sublimation vaporisation fusion liquide gaz solide p T C t C p t p p V Liquide + solide C Solide + gaz Liquide + gaz gaz solide C p t p Ligne triple : solide+liquide+gaz Courbe de rosée Courbe d’ébullition courbe de saturation Diagramme (p,T) général pour un corps pur Schéma résumant les notions relatives au diagramme de Clapeyron Gilberto Domingues Transparent 14 Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique Isotherme : courbe reliant les états de la matière à température constante. Isobare : courbe reliant les états de la matière à pression constante. Isochore : courbe reliant les états de la matière à volume constant. Quelques définitions : Gilberto Domingues Transparent 15 Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique II. Concepts de base en thermodynamique 1. La notion de système thermodynamique C’est le contenu matériel d’un volume fermé. Il est constitué d’un très grand nombre de particules. Système Frontière du système Milieu extérieur : air ambiant Verre d’eau 2. Définitions a) Variable d’état, fonction d’état, équation d’état Pour décrire l’état d’un système thermodynamique, on utilise les grandeurs suivantes : - Nombre de particules N, - Pression p (Pa), - Température T (K), - Volume V (m3). Gilberto Domingues Transparent 16 Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique On appelle variable d’état, une variable permettant de décrire entièrement l’état macroscopique d’un système. Les variables telles que la pression, la température et le volume sont des variables d’état. Une fonction d’état caractérise également l’état macroscopique du système. Cependant elle est déterminée à partir des variables d’état. Les variations d’une fonction d’état ne dépendent pas de l’historique ou du type d’évolution d’un système d’un état à un autre. Par anticipation sur la suite du cours, on citera : - l’énergie interne U (J), - l’enthalpie H (J), - l’entropie S (J.K-1) . Pour décrire l’état d’un système, 3 variables dites indépendantes suffisent. Ex: (N,V,T) ou (N,p,T)… Les autres variables dites dépendantes s’en déduisent à partir d’une équation mathématique de la forme f(N,p,V,T)=0, appelée Equation d’état. Gilberto Domingues Transparent 17 Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique L’Equation d’état, que nous aborderons dans le cadre du cours de première année sera celle des gaz parfaits : nRT pV = p V T n M m N N n a = = : Pression en Pascal (Pa) : Volume en m3 : Température en Kelvin (K) : Nombre de moles Le nombre de moles est relié au nombre d’Avogadro Na par la relation : mole particules Na / 10 . 02 , 6 23 = La constante des gaz parfaits R est donnée par la relation : 1 1. . 314 , 8 − − = = mol K J k N R B a On définit la constante de Boltzmann telle que : 1 23 . 10 . 38 , 1 − − = K J kB M m, représentent respectivement la masse et la masse molaire du gaz Gilberto Domingues Transparent 18 Chapitre I : Généralités sur la Thermodynamique Représentation des isothermes du gaz parfait sur un diagramme de Clapeyron 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 uploads/Industriel/ cours-thermo-l1-transparents-2.pdf