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- Thermodynamique BTP3 2014/2015 H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma

- Thermodynamique BTP3 2014/2015 H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 1 / 187 - Chapitre 1 : Concepts de la Thermodynamique H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 2 / 187 Notions fondamentales Introduction La thermodynamique est la science qui étudie et décrit le comportement de la matière ou des systèmes, en fonction des notions de température T, d’énergie (chaleur Q, travail W...). La thermodynamique étudie l’évolution ou les transforma- tions de la matière ou des systèmes en considérant les va- riations d’état du système, lors d’échanges d’énergie entre le milieu extérieur et le système. L ’objectif de la thermodynamique est d’étudier le fonction- nement et le bilan d’énergie des machines thermiques et aussi les échanges ou transferts de chaleur dans un sys- tème ou entre deux systèmes. H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 3 / 187 Introduction Dans les machines thermiques on assiste à une conversion d’énergie d’une forme en une autre (chaleur en travail ou inversement). Dans les échanges de chaleur, il y a transfert de chaleur par suite d’une différence de température dans le système ou entre deux systèmes. Exemple 1 : Dans les machines thermo-dynamiques, il y production de travail par conversion de chaleur en travail (les moteurs thermiques, les centrales thermiques ...) Exemple 2 : Dans les machines dynamo-thermiques (DT) par contre, il y a transfert de chaleur d’une source froide à une source chaude grâce à un apport de travail (les ma- chines frigo. et pompes à chaleur...) H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 4 / 187 Aspects macroscopique et microscopique On peut décrire la thermodynamique de deux manières ou aspects différents : L ’aspect macroscopique : on s’intéresse aux propriétés de la matière ou du système à l’échelle globale ou macrosco- pique, alors les propriétés sont décrites par des variables d’état macroscopiques telles ( p, V, T, m...) 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 ...) H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 5 / 187 Aspects macroscopique et microscopique Selon que l’on considère l’un ou l’autre de ces aspects, on distingue alors entre la Thermodynamique Classique ou la Thermodynamique Statistique. La Thermodynamique Classique n’a besoin d’aucune hypo- thèse sur la structure atomique de la matière, elle explique le comportement de la matière ou des systèmes en fonction de leurs variations d’énergie et d’entropie : Elle décrit uniquement les états initiaux et ﬁnaux des sys- tèmes en évolution et dresse le bilan énergétique du sys- tème. Le chemin suivi par la transformation du système peut jouer un rôle (notion de réversibilité des transformations) Elle ne cherche pas à élucider les mécanismes des trans- formations. H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 6 / 187 Aspects macroscopique et microscopique La Thermodynamique Statistique par contre, cherche à ex- pliquer l’origine et la signiﬁcation des variables macrosco- piques (p,T) et les notions de chaleur, de travail et d’entro- pie, en les reliant directement au mécanisme de l’agitation moléculaire. H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 7 / 187 Agitation moléculaire - Notion de température La température est reliée au degré d’agitation moléculaire de la matière. Si la vitesse vi des molécules et donc leur énergie cinétique Ei augmentent, alors le degré d’agitation thermique du mi- lieu est plus grand. A la température de 0 K (zéro absolu à −273◦C) les atomes ou molécules sont ﬁgés. H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 8 / 187 Agitation moléculaire - Notion de température On considère une enceinte avec des molécules se déplacent de façon totalement aléatoire avec des vitesses vi. H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 9 / 187 Agitation moléculaire - Notion de température On déﬁnit la température T par la relation : 1 2mv2 = 3 2KBT avec KB la constante de Boltzmann. Cette relation déﬁnit l’échelle de température absolue T en degré K. H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 10 / 187 Agitation moléculaire - Notion de pression La pression est due aux nombreux chocs des atomes ou molécules sur les parois du récipient. Dans l’enceinte il y a N molécules en agitation permanente soit, n = N/V le nombre de molécules par unité de volume. On déﬁnit la pression par la relation : p = 1 3nmu2 avec u la vitesse quadratique moyenne déﬁnie par u2 = 1/N X v2 i H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 11 / 187 Echanges d’énergie avec le milieux extérieur Les échanges d’énergie sous forme de chaleur Q ou de travail W sont alors interprétés à l’échelle microscopique comme une manifestation de l’agitation moléculaire sous forme désordonnée Q ou ordonnée W Transfert de travail W T2 > T1 Transfert de chaleur H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 12 / 187 Echanges d’énergie avec le milieux extérieur Considérons un gaz au contact avec un solide. Les molé- cules du gaz viennent frapper la surface du solide. A chaque impact les molécules de la surface extérieure re- çoivent une impulsion qui cause un mouvement de vibration de la matière solide. Dans ce modèles si une molécule reçoit plusieurs chocs, elle transmet rapidement l’énergie excédentaire vers une molécule voisine. Progressivement l’énergie passe dans le milieu solide qui s’échauffe dans son ensemble. Ici les forces et les déplacement microscopiques sont aléa- toires et les mouvements des molécules recevant de l’éner- gie sont désordonnées. H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 13 / 187 Echanges d’énergie avec le milieux extérieur On considère un gaz en contact avec un piston qu’on dé- place. Les molécules du gaz reculent toutes et dans le même sens sous l’effet de la poussée du piston. Les molécules réagissent collectivement et de façon cor- rélée et ordonnée : dans le même sens et avec la même vitesse. Conventionnellement les échanges d’énergie qui portent de l’énergie au système sont positifs, ceux qui l’enlève sont négatifs. H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 14 / 187 Echanges d’énergie avec le milieux extérieur Unités : temps en [s] température en degré [K], avec T [K] = t ◦C + 273 pression en Pascal [Pa] ou [N/m2] ; p = [Pa] = [N/m2] et 1bar = 105Pa l’énergie en Joule [J], et 1cal = 4, 184Joules la puissance P en Watt [W], et 1W = 1J/s H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 15 / 187 Système thermodynamique - Etat d’équilibre Pour décrire thermodynamiquement un système, il faut à la fois : Déﬁnir le système en délimitant ses frontières par rapport au milieu extérieur. Déterminer l’état du système déﬁni par ses variables. 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 sys- tème. Système Milieu extérieur H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 16 / 187 Système thermodynamique - Etat d’équilibre Le système peut être ouvert ou fermé, adiabatique c.à.d isolé thermiquement (Q = 0) ou rigide c.à.d indéformable (W = 0). Système Echange Matière Echange Energie Isolé non non Fermé non oui Ouvert oui oui H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 17 / 187 Système thermodynamique - Etat d’équilibre Etat du système L ’état du système est déﬁni ou décrit par ses variables ma- croscopiques (m, p, V, T, n...) dites aussi variables d’état. A un système donné est associé tout un ensemble d’états possibles. On dit qu’un système est à l’état d’équilibre thermodyna- mique, si ces variables d’état ont des valeurs bien déﬁnies et constantes. H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 18 / 187 Système thermodynamique - Etat d’équilibre Etat du système On distingue alors selon le cas entre : Variables ou grandeurs thermiques (p, V, T) ou caloriﬁques (U, H, W, Q, S) Variables extensives proportionnelles à la quantité de ma- tière telles (m, V, U...) Variables intensives indépendantes de la masse telles (p, T, concentration...) H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 19 / 187 Système thermodynamique - Etat d’équilibre Etat du système On déﬁnit souvent des grandeurs massiques rapportées à l’unité de masse du système, telles : le volume massique : v = V/m en [m3/kg] l’énergie interne ou l’enthalpie massique : u = U/m ou h = H/m en [J/kg] H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 20 / 187 Système thermodynamique - Etat d’équilibre Evolution ou transformation du système Sous l’inﬂuence d’échanges ou transferts d’énergie entre le système et le milieu extérieur, le système évolue et les variables d’état du système sont modiﬁés. On dit que le système se transforme ou change d’état, en passant d’un état d’équilibre (1) à un autre état d’équilibre (2). Etat 1 Etat 2 Q p1 , V1 , T1 p2 , V2 , T2 H. Meftah - ENSA d’Agadir - h.meftah@uiz.ac.ma 21 / 187 Système thermodynamique - Etat d’équilibre Evolution ou transformation du système Au cours d’une transformation les variables d’état du sys- tème varient, pour atteindre un autre état d’équilibre. Le passage de l’état d’équilibre (1) à uploads/Industriel/ pre-thermo.pdf