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I.U.T. de Saint-Omer Dunkerque D´ epartement G´ enie Thermique et ´ energie COU

I.U.T. de Saint-Omer Dunkerque D´ epartement G´ enie Thermique et ´ energie COURS DE THERMODYNAMIQUE 1 er semestre Olivier PERROT 2010-2011 1 Avertissement : Ce cours de thermodynamique, est destin´ e aux ´ etudiants de 1re ann´ ee d’enseignement sup´ erieur. Les trois premiers chapitres introduisent les d´ eﬁ- nitions utilis´ ees en calorim´ etrie. Les chapitres suivants d´ eveloppent les deux premiers principes de la thermodynamique pour les syst` emes ferm´ es. Cette pr´ esentation r´ esulte de la lecture de nombreux ouvrages et documents dont la plupart ne sont pas cit´ es dans la bibliographie. En particulier, je me suis largement inspir´ e du polycopi´ e du professeur R. Houdart, ainsi que des nom- breux documents accessibles en ligne. 2 Bibliographie : 1. G. BRUHAT, Thermodynamique, Edition Masson 2. J.P.LONCHAMP, Thermodynamique et introduction ` a la physique statistique, Edition Eyrolles 3. J.M.SMITH et H.C. VAN HESS, Introduction to chemical engineering thermodynamics, Edition Mc Graw-Hill 4. J.C. SISSI, Principes de thermodynamique, Edition Mc Graw- Hill 5. R. VICHNIEVSKY, Thermodynamique appliqu´ ee aux machi- nes, Edition Masson 6. C. LHUILLIER, J. ROUS, Introduction ` a la thermody- namique, Edition Dunod 7. F. REIF, Physique statistique, Edition Armand Colin 8. H. GUENOCHE, C. SEDES, Thermodynamique appliqu´ ee, Edition Masson 9. H.LUMBROSO, Thermodynamique , 100 exercices et probl` emes r´ esolus, Edition Mc Graw-Hill 10. J.L. QUEYREL, J. MESPLEDE, Pr´ ecis de physique, ther- modynamique, cours et exercices r´ esolus, Edition R´ eal 11. A. MOUSSA, P. PONSONNET, Exercices de themody- namique, Edition Andr´ e Desvigne 3 Table des mati` eres 1 Thermom` etrie 9 1.1 Notion de temp´ erature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Ph´ enom` enes accompagnant la variation de temp´ erature : . . . 9 1.3 Choix de la grandeur physique ´ evaluant la temp´ erature : . . . 10 1.4 Notion d’´ equilibre thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5 ´ Echelles thermom´ etriques lin´ eaires . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5.1 ´ Echelle Celsius, approche historique . . . . . . . . . . . 11 1.5.2 ´ Echelle de Fahrenheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.5.3 ´ Echelle absolue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.6 Autres thermom` etres ` a dilatation de liquide . . . . . . . . . . 13 1.7 Thermom` etre presqu’id´ eal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.8 Notion de gaz parfait : d´ eﬁnition . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.9 ´ Equation d’un gaz parfait pour n moles : . . . . . . . . . . . . 14 1.10 Autres thermom` etres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.11 Thermistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.12 Thermocouples : Eﬀet Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.13 Applications industrielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.14 Pyrom` etres optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Dilatation des solides, des liquides et des gaz 17 2.1 Dilatation des solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Coeﬃcient de dilatation lin´ eaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 Dilatation cubique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Relation entre le coeﬃcient de dilatation cubique k et le coef- ﬁcient de dilatation lin´ eaire λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5 Variation de la masse volumique . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.6 Dilatation des liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.7 Coeﬃcient de dilatation absolue . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.8 Coeﬃcient de dilatation apparente d’un liquide . . . . . . . . 24 2.9 Dilatation de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.10 Dilatation des gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4 TABLE DES MATI` ERES 2.11 Dilatation ` a pression constante . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.12 Dilatation ` a volume constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 Quantit´ e de chaleur 29 3.1 La quantit´ e de chaleur : grandeur mesurable . . . . . . . . . . 29 3.2 Unit´ es de quantit´ es de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3 ´ Equivalence travail - chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Principes fondamentaux de la calorim´ etrie . . . . . . . . . . . 31 3.5 Chaleur massique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.6 Chaleur massique des solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.7 Inﬂuence de la temp´ erature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.8 Chaleur massique des liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.9 Chaleur massique d’un gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.10 Gaz parfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.11 Gaz r´ e´ els . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.12 Chaleur latente de changement d’´ etat . . . . . . . . . . . . . . 36 3.13 Capacit´ e caloriﬁque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4 Notions g´ en´ erales sur la thermodynamique 38 4.1 Rappel chronologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2 Principes de la thermodynamique classique : . . . . . . . . . . 39 4.3 D´ eﬁnitions : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.4 Propri´ et´ es des parois d’un syst` eme . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.5 Variables thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.6 Variables ind´ ependantes . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Sante/ cours-thermo-1er-semestre.pdf