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Thermodynamique P. Amiot C Qi Qi Ti T0 Ci Thermodynamique P. Amiot Département

Thermodynamique P. Amiot C Qi Qi Ti T0 Ci Thermodynamique P. Amiot Département de physique, de génie physique et d’optique F Université Laval F Québec F Canada Cet ouvrage a été rédigé avec Scientiﬁc WorkPlace et composé avec L A T EX2ε ° c 1998-2006 P. Amiot Département de physique, de génie physique et d’optique Université Laval, Québec, Canada Tous droits réservés. Aucun extrait de cet ouvrage ne peut être reproduit, sous quelque forme ou par quelque procédé que ce soit (machine électronique, mécanique, à photocopier, à enregistrer ou tout autre) sans l’autorisation écrite préalable de l’auteur. A v a n t - p r o p o s Avant-Propos Version du 18 mai 2006 Les notes couvrent les notions de thermodynamique PHY-20911 qui était offert au Dé- partement de physique, de génie physique et d’optique Bonne lecture ! P. Amiot. Département de physique, de génie physique et d’optique Université Laval, Québec, Canada v Éléments de thermique Chapitre 1 1.1 Température 1.2 La chaleur 1.3 Capacité thermique (chaleur spéciﬁque) 1.4 Chaleur latente et changement de phase 1.5 Expansion (linéaire) des solides 1.6 Autres variables 1.1 Température La température est l’une des premières mesures que nous faisons, dès la naissance même. C’est aussi l’une des plus familière, mais cela ne signiﬁe pas qu’elle soit la mieux comprise. On la note traditionnellement par la lettre majuscule T. Comme nous le verrons, utiliser la lettre minuscule t serait préférable, mais relativement peu d’auteurs le font par crainte qu’elle soit vue comme signiﬁant le temps. La température d’un corps ou de façon plus générique d’un système, est une mesure d’une propriété globale de ce système, c’est une meure macroscopique portant sur l’ensemble du système. À l’équilibre, c’est-à-dire si aucune source de chaleur n’est en contact avec une partie du système, alors on attend que cette température soit la même partout dans le système. Si on met en contact deux systèmes de températures différentes, le système composé atteindra, après un temps, une température intermédiaire entre la plus haute et la plus basse de ces deux températures, c’est l’équilibre. Si on chauffe un corps, sa température monte. On mesure la température à l’aide d’un thermomètre. C’est, avec la règle et l’horloge, probablement l’un des instruments de mesure le plus fréquemment utilisés. Ces propriétés, les enfants les connaissent. Ce qui est généralement moins connu, c’est que la température a une origine micro- scopique et est une mesure de l’énergie cinétique moyenne des atomes/molécules qui con- stituent le système. Il est moins connu aussi que l’échelle de température a un zéro absolu en deçà duquel on ne peut pas descendre. Certains, mais pas la majorité, savent qu’il est plus difﬁcile de faire monter la température de certaines substances que d’autres. Ces faits moins connus sont accessibles par des expériences relativement simples mais que peu songent à faire ou à interpréter. En Physique, c’est précisément notre tâche de nous pencher sur de telles expériences et d’en tirer une description valable et quantitative. Les échelles de température usuelles sont les échelles Celsius, utilisée dans la plupart des pays et l’échelle Fahrenheit encore utilisée aux U.S.A. Nous utiliserons l’échelle Kelvin, surtout utilisée par les scientiﬁques. C’est une échelle essentiellement identique (même dis- tance inter degré) à celle de Celsius, sauf que le zéro de l’échelle Kelvin correspond à −273 de l’échelle Celsius. Le zéro de l’échelle Kelvin est le zéro absolu en deçà duquel on ne peut descendre. Les échelons de température sont identiques entre les deux échelles, mais zéro C correspond à 273 K. L’intérêt de l’échelle Kelvin vient de ce que son zéro est le zéro absolu ! Si on mesure une différence de température, il est évident qu’il est équivalent d’utiliser une échelle ou l’autre. 1.2 La chaleur En chauffant un corps, sa température monte. On lui a donc communiqué quelque chose qui n’est pas matériel, rien de matériellement tangible n’ayant passé de la source au corps étudié. Cette chose qui a passé, on l’appelle la chaleur, un mot très courant du vocabulaire 1 Éléments de thermique C h a p i t r e 1 usuel. Ici nous devrons faire un peu attention à ce que nous voulons dire par le mot chaleur. La chaleur sera notée Q et elle mesurera une quantité de quelque chose transmise d’une source (chaude) à un corps (froid), de telle façon que la température du corps augmente. La chaleur ne mesure pas une propriété du corps, mais une quantité d’énergie échangée entre des corps ou entre un environnement et un corps. On observe une propriété très importante de la chaleur, elle passe toujours d’un corps chaud à un corps froid, JAMAIS l’inverse, l’échange menant à un équilibre où la température est la même dans les deux corps en contact. Il est remarquable que deux corps en contact, quelques soient les différences entre eux, partageront toujours cette propriété commune d’une même température à l’équilibre et ce, après avoir échangé de la chaleur pour arriver à cet équilibre. Si on chauffe un gaz en lui transmettant de la chaleur, sa pression va augmenter et si alors on le laisse pousser sur un piston, ce dernier se déplacera et produira un travail jusqu’à ce que sa pression retourne à la pression ambiante (auquel moment il ne peut plus pousser). On ne sera donc pas surpris de constater que la chaleur a des dimensions de travail, c’est-à-dire d’énergie. Donc lorsqu’on fournit de la chaleur à un corps, c’est en fait de l’énergie qu’on lui fournit. Le corps stocke cette énergie en la distribuant comme énergie cinétique à ses atomes/molécules, ce qui, à notre échelle est détecté comme une augmentation de la température. Si on enlève et on enlève et on enlève encore au corps cette énergie cinétique, nous arriverons à un point où il n’en restera plus, le corps n’étant pas un réservoir inﬁni. À ce moment on a atteint une température en deçà de laquelle on ne peut plus descendre, c’est le zéro absolu de tempéra- ture. Historiquement, la mesure de la chaleur est la calorie, notée cal. Nous utiliserons surtout la kcal qui vaut 1000 cal et est la norme en système SI. Cette kcal est aussi ce que les diététistes appellent la calorie. 1.3 Capacité thermique (chaleur spéciﬁque) Nous avons parlé de stocker de la chaleur, c’est-à-dire de l’énergie reçue sous forme de chaleur dans le corps. Expérimentalement, certains corps sont plus difﬁciles à chauffer, on en conclut que les corps n’ont pas tous la même efﬁcacité pour stocker de l’énergie reçue sous forme de chaleur. Imaginons une expérience où deux corps distincts, disons A et B , de même masse mais de nature différente soient initialement à la même température T0. À chacun, on fournit une même quantité de chaleur, Q. Cela fait, on mesure que les deux corps ont atteint des températures ﬁnales TA et TB respectivement, où TA < TB . Il est clair que, par unité de masse, le corps A est plus efﬁcace que l’autre pour stocker cette énergie, l’absorption d’une même quantité de chaleur augmentant moins sa température. Dans une série d’expérience, on vériﬁe aussi que l’augmentation de température de chacun de ces corps est proportionnelle à la quantité de chaleur reçue. (Ceci reste valable pour des plages de températures qui peuvent être importantes, mais ﬁnies). Cette loi de proportionnal- ité nous permet d’écrire une expression utile pour les liquides et les solides (dont le volume ne change pas ou très peu lorsqu’on les chauffe, c’est-à-dire la pression reste égale, en général à la pression extérieure) ∆Q = m c ∆T Ici ∆Q est la quantité de chaleur reçue et ∆T est la différence de température occasion- née par l’absorption de cette chaleur. Ici m est la masse du corps et sert à mesurer la quantité de matière de ce corps et c est une constante de proportionnalité qui porte le nom de ca- pacité thermique ou de chaleur spéciﬁque et qui mesure la capacité du corps à stocker de la chaleur. Sa valeur varie beaucoup d’un milieu à l’autre. Elle est élevée pour l’eau et faible pour les métaux. Cette valeur est généralement assez constante sur des plages importantes de température. Cette loi est importante et raisonnablement valable à l’intérieur d’une phase. On constate que le changement de température du corps est proportionnel (linéaire) à la quantité de chaleur reçue ou perdue, résultant en une augmentation ou une diminution de la tempéra- 2 C h a p i t r e 1 Expansion (linéaire) des solides ture. La chaleur nécessaire pour augmenter la température d’un corps d’un nombre donné de degrés est proportionnelle à la quantité de corps présent, mesurée par la masse du corps ou le nombre de kmoles. Voici quelques exemples de chaleurs spéciﬁques valables dans une plage de température allant à peu près de 0 à 100 C. Elles sont en kcal/kgC, i.e où la quantité de matière du corps est mesurée en masse (kg). La température est autour de 25C et la pression reste égale à la pression atmosphérique Élément Chaleur uploads/Sante/ thermodynamique-dr-amiot.pdf