thermodynamique ii chapitre 1
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Responsable du Module
Bienvenus à la :
LA THERMODYNAMIQUE II
Mohammed Najib BARGACHMohammed Najib BARGACH
e-mail : bargach@fsr.ac.ma
FILIEREFILIERE SMP-4SMP-4
Module 16 - Physique 7Module 16 - Physique 7
Élément Élément 2 :2 :
Élément 2 : THERMODYNAMIQUE Élément 2 : THERMODYNAMIQUE IIII
Pré requis :Pré requis : Physique 1 – Thermodynamique I
Rappel des principes de la thermodynamiqueRappel des principes de la thermodynamique : : (Energie interne, Entropie, Postulat de Nernst-Planck, Energie libre).
Objectif :Objectif : Compléter la formation des étudiants en thermodynamique et s’initier aux principes de fonctionnement des machines thermiques, aux changements d’états et aux phénomènes irréversibles.Contenu :Contenu :
GénéralitésGénéralités : : Etat d’équilibre, Les différentes transformations (Isothermes, Adiabatiques, Isochores, Isobares, polytropiques), Energie thermique, Cycle de Carnot, Isothermes d’Andrews, Energie mécanique : Notion d’irréversibilité.
Thermodynamique de non équilibreThermodynamique de non équilibre
Application des principes de la thermodynamiqueApplication des principes de la thermodynamique : : Systèmesmécaniquement isolés, Systèmes ouverts, Transformation monotherme.
Changement d’étatsChangement d’états : : Changement de première espèce, Changement de second espèce, Relation d’Ehrenfest, Machines thermiques.
Chapitre 1
Généralités et définitionsGénéralités et définitions
1 - Qu’est-ce que la thermodynamique ?
Chapitre 1 : Généralités et définitionsChapitre 1 : Généralités et définitions
2 - Système thermodynamique
3 - Équilibre thermodynamique
4 - État thermodynamique
5 - Fonction d'état – Variable d’état
6 - Transformations thermodynamiques
SommaireSommaire
I - I - Qu’est - ce que la thermodynamiqueQu’est - ce que la thermodynamique ? ?
C'est une branche de la physique qui a pour objet :
l'étude de l'évolution de tout système physico-chimique,
en tenant compte des échanges éventuels d'énergie de
toute forme entre le système et l'extérieur :
chimique,
mécanique électrique,thermique,
de masse, ...
F = Po S
Énergie mécanique :
La variation de volume du gaz entre l’état initial correspondant au cas où le piston occupe la position A et l’état final où le piston occupe la position B est négative : dV = VB – VA = - S. dAB
Le travail reçu par le gaz est égal au travail de la force appliquée : dW = F.dAB
La pression exercée par le milieu extérieur sur le gaz est :
dW = - Po.dV
SF
Po
Par identification on trouve :
AB
S
gaz
Énergie électrique :On soumet une résistance électrique R à une différence de potentielu(t) entre ses bornes A et B.
En mesurant à chaque instant :
on déduit l’énergie électrique reçue par le système entre les instants t1
et t2 :
u(t) = uA – uB
A
B
Ru(t)
i(t)
2
1
t
tdt i(t) u(t) W
la différence de potentiel
i(t)et le courant
Four solaire ou radiateur Rayonnement solaire
Conduction Convection
Énergie thermique :
Énergie chimique :Lorsque deux atomes s'unissent pour former
une molécule, la liaison chimique créée
stabilise le système : ceci se traduit par une
libération d'énergie, généralement sous
forme de chaleur.
Les réactions de combustion sont des réactions exothermiques,
Éthane (C2H6) + Oxygène CO2 + Eau
Les réactions impliquées dans la cuisson des aliments sont
endothermiques : elles nécessitent un apport d'énergie pour fractionner
ou défaire des molécules souvent très complexes.
A l'inverse, pour rompre la liaison qui unit deux
atomes dans une molécule, il faut fournir de
l'énergie à cette molécule.
Expérience de James Joule (1843)
W = M1.g.h Q = W Q = c.M2.T
Carnot, Mayer, Clausius, Joule, ...
Etymologiquement, la thermodynamique devrait donc
être la théorie qui décrit l’inter conversion entre les
formes calorifique et mécanique de l’énergie.
I - I - Qu’est - ce que la thermodynamiqueQu’est - ce que la thermodynamique ? ?
étaient parmi les premiers physiciens s'intéressant aux
conversions réciproques de travail mécanique et de
chaleur.
Toutefois, la thermodynamique s’intéresse aujourd’hui à
un champ beaucoup plus vaste et son domaine s’étend
à l’inter conversion de toutes les formes d’énergie, de
telle sorte que le terme " Énergétique " serait
certainement plus approprié.
Le mot Thermodynamique, ayant depuis fort longtemps
été consacré par l’histoire, ne saurait pour autant être
remis en cause.
I - I - Qu’est - ce que la thermodynamiqueQu’est - ce que la thermodynamique ? ?
La thermodynamique est basée sur :
quatre principes fondamentaux
I - I - Qu’est - ce que la thermodynamiqueQu’est - ce que la thermodynamique ? ?
- Le principe zéroLe principe zéro : concerne la notion d'équilibre thermique.
- Le premier principe ou principe d'équivalenceLe premier principe ou principe d'équivalence : concerne le
caractère conservatif de l'énergie.
- Le deuxième principe ou principe de CarnotLe deuxième principe ou principe de Carnot : concerne la notion
d'irréversibilité et le concept d'entropie.
- Le troisième principe ou principe de NernstLe troisième principe ou principe de Nernst : concerne les
propriétés de la matière au voisinage du zéro absolu.
I - I - Qu’est - ce que la thermodynamiqueQu’est - ce que la thermodynamique ? ?
- l'approche statistique, s'appuie sur des considérations
moléculaires et sur le calcul de probabilité (Boltzmann,
vers 1875) ;
à établir les principes fondamentaux ;
en expliquer les propriétés à partir de lois naturelles
plus générales;
à pénétrer plus dans la structure de la matière ;
La thermodynamique peut être abordée à l'aide de
deux approches différentes :
elle cherche :
I - I - Qu’est - ce que la thermodynamiqueQu’est - ce que la thermodynamique ? ?
Ceci n’est possible qu’à la condition d’adopter un point
de vue macroscopique, les phénomènes étant alors pris
en compte indépendamment de leur support matériel.
élaborer une théorie visant à décrire et à prévoir les
phénomènes sans chercher à les expliquer.
La thermodynamique est susceptible d'être abordée à
l'aide de deux approches différentes :
- l'approche macroscopique, radicalement différente,
consiste à adopter une démarche phénoménologique :
I - I - Qu’est - ce que la thermodynamiqueQu’est - ce que la thermodynamique ? ?
La thermodynamique est susceptible d'être abordée à
l'aide de deux approches différentes :
- l'approche macroscopique, radicalement différente,
consiste à adopter une démarche phénoménologique :
Cette démarche est celle de la thermodynamique
phénoménologique. Les variables et les grandeurs
qu’elle met en jeu ont précisément ce caractère
macroscopique.
élaborer une théorie visant à décrire et à prévoir les
phénomènes sans chercher à les expliquer.
Vu son intérêt pratique et ses applications, nous nous
intéresserons essentiellement à la thermodynamique
phénoménologique avec à la fin, un chapitre sur la
thermodynamique du non équilibre.
I - I - Qu’est - ce que la thermodynamiqueQu’est - ce que la thermodynamique ? ?
La thermodynamique est susceptible d'être abordée à
l'aide de deux approches différentes :
- l'approche macroscopique, radicalement différente,
consiste à adopter une démarche phénoménologique :
élaborer une théorie visant à décrire et à prévoir les
phénomènes sans chercher à les expliquer.
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
En général, c'est l'ensemble des corps situés à l'intérieur d'une
surface géométrique () fermée, réelle ou imaginaire, appelée
frontière.
W > 0
Q > 0Q < 0
W < 0
( )
Milieu extérieur
Système
Cette frontière peut être déformable ou indéformable, mobile ou
fixe par rapport à un repère donné.
Le système à étudier, de masse déterminée, peut être constitué
par un seul corps (ou par plusieurs corps), est limité dans
l’espace (par rapport au milieu extérieur) par une paroi () fixe,
ou en cours de déformation.
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
W > 0
Q > 0Q < 0
W < 0
( )
Milieu extérieur
Système
Le système et le milieu extérieur peuvent ne pas présenter de
différences de nature, mais l’observateur les différencie par le
rôle qu’il leur fait jouer.
Les frontières les séparant pouvant être réelles ou fictives.
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
W > 0
Q > 0Q < 0
W < 0
( )
Milieu extérieur
Système
A travers la paroi () pourrait s’effectuer des échanges d’énergie
(mécanique, calorifique, électrique, ...), et éventuellement de
matière entre le système (milieu intérieur) et le milieu extérieur.
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
W > 0
Q > 0Q < 0
W < 0
( )
Milieu extérieur
SystèmeSystème
Nous conviendrons de compter positivement le travail et la chaleur
reçus par le système du milieu extérieur.
Une paroi séparant deux milieux est dite adiabatique lorsqu'elle
interdit l'échange de chaleur entre ces deux milieux.
Paroi adiabatique
Milieu 1
P1 , V1 , T1
Milieu 2
P2 , V2 , T2
Paroi adiabatique
Tout état d'équilibre thermique d'un milieu peut coexister avec tout
état d'équilibre thermique de l'autre.
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
De même, Une paroi séparant deux milieux est dite diathermane
lorsqu'elle permet l'échange de chaleur entre ces deux milieux.
Paroi diathermane
Tout déséquilibre thermique entre les deux milieux aura tendance
à diminuer pour atteindre un nouvel équilibre commun.
Milieu 1
P1 , V1 , T1
Milieu 2
P2 , V2 , T2
Paroi diathermane
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
Pour connaître l'évolution d'un système, il est nécessaire de
préciser les échanges vis à vis du milieu extérieur.
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
- - système isolésystème isolé : : système qui n'échange rien avec
l'extérieur (ni matière ni énergie) ;
- - système fermésystème fermé : : système qui échange de l’énergie avec
le milieu extérieur mais pas de matière ;
- - système ouvertsystème ouvert : : système qui échange énergie et
matière avec l'extérieur.
On appelle ainsi :
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
Exemples de systèmes thermodynamiques :
Système isolé
Frontière adiabatique et indéformable
Système fermé
Frontière indéformable
Échange d’énergie
Système ouvert
Frontière déformable et ouverte
W +
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
En thermodynamique, il est souvent intéressant de faire
le bilan des énergies qui sont transférées entre le
système et le milieu extérieur, c'est-à-dire comptabiliser
tout ce qui traverse la frontière.
Les principaux transferts susceptibles d'être opérés
sont les suivants :
1. Transfert-travail : opération de transfert d'énergie-travail
2. Transfert-chaleur : opération de transfert d'énergie-chaleur
3. Transfert de masse : opération de transfert de matière
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
RemarqueRemarque : :
Il convient de distinguer entre une énergie et l'opération qui
permet le transfert de cette énergie.
Nous appellerons alors :
- Energie-travail : énergie mise en jeu au cours d'un travail ;
- Transfert-chaleur : opération de transfert d'énergie-chaleur.
- Energie-chaleur : énergie mise en jeu lors d’un transfert de
chaleur ;
- Transfert-travail : opération de transfert d'énergie-travail ;
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
Système uniforme, système non uniformeSystème uniforme, système non uniforme : :
Si f désigne une grandeur physique quelconque (, , ,
…)
autre que l’espace (x, y, z) ou le temps t, un système est dit :Uniforme par rapport à fUniforme par rapport à f
0 f
k
z j
y i
x
Un système est uniforme lorsque cette propriété est vérifiée
quelle que soit la variable f considérée.
Non uniforme par rapport à fNon uniforme par rapport à f si
0 f
si f a la même valeur en tout points
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
Système homogène ou monophaseSystème homogène ou monophase : :
C’est un système uniforme par rapport à la distribution des
masses :
0 i, i
i
ii V
m
Il peut s'agir :
d'une phase simple : une seule substance chimique
- phase liquide (eau pure), …
- air, gaz de combustion, solution saline, …
d'une phase complexe : plusieurs substances chimiques
- phase gazeuse (O2, H2, N2, CO2 ), …
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
Système inhomogèneSystème inhomogène : :
C’est un système non uniforme par rapport à la distribution
des masses :
0 i, i
s’il existe Mo(xo,yo,zo) tel que :
Système hétérogèneSystème hétérogène : :
Un système est dit hétérogène :
lorsque (x,y,z) tend vers (xo,yo,zo)
)z,y,x(f
i
ii V
m
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
Convention de signe :Convention de signe :
Une grandeur reçue par le système est comptabilisée positivement
Pour exprimer le travail mécanique W dans le cas d'une
transformation thermodynamique, on utilise P et V.
Une grandeur cédée par le système est comptabilisée négativement
En mécanique, le travail élémentaire dWF d'une force est
défini comme étant le produit scalaire de cette force par le
déplacement élémentaire de son point d'application
F
d
W > 0
Q > 0Q < 0
W < 0
( )
Milieu extérieur
Système
Dans le cas d'un système adiabate et fermé, constitué par un
cylindre rempli de gaz et muni d'un piston mobile :
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
le travail élémentaire de la force de pression extérieure
(poids de la masse marquée) s’écrit :
P
P.d .dP W
)cos(.d.F d.F W2
1
2
1
1
2F
d
II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique
En prenant comme système le gaz contenu dans le récipient,
nous devons écrire :
où W est le travail élémentaire reçu par le gaz du récipient.
Si la transformation est suffisamment lente pour admettre qu’elle
est réversible :
Pression extérieure Pe = Pression du gaz Pg :
Le travail élémentaire .dVP - W g
.dVP .S.dP F.d .dF W ee
Pe étant la pression extérieure.
- Le principe zéro- Le principe zéro
- Le premier principe ou principe d'équivalence- Le premier principe ou principe d'équivalence
- Le deuxième principe ou principe de Carnot- Le deuxième principe ou principe de Carnot
- Le troisième principe ou principe de Nernst- Le troisième principe ou principe de Nernst
- Système isolé, Système fermé, Système ouvert- Système isolé, Système fermé, Système ouvert
- Système uniforme, système non uniforme- Système uniforme, système non uniforme
- Système homogène, système inhomogène- Système homogène, système inhomogène
- Système hétérogène- Système hétérogène
- Energie - Travail - Energie - Travail Transfert - TravailTransfert - Travail
- Energie - Chaleur - Energie - Chaleur Transfert - ChaleurTransfert - Chaleur
Généralités et définitionsGénéralités et définitions
Un système est en équilibre thermodynamique lorsque toutes les
grandeurs macroscopiques (P,V,T, …) qui caractérisent son évolution :
III - III - Équilibre thermodynamiqueÉquilibre thermodynamique
- restent fixes dans le temps.
- sont les mêmes en tout point d’une partie homogène du
système (chimique, mécanique et thermique)
Dans ce cas, il existe simultanément un équilibre :
Chimique Mécanique Thermique
L'équilibre chimiqueL'équilibre chimique : :
III - III - Équilibre thermodynamiqueÉquilibre thermodynamique
Considérons par exemple la réaction :
A l'équilibre, les concentrations des constituants chimiques A, B, C et D apparaissent constantes dans le temps bien que les molécules continuent à réagir les unes sur les autres :
A + B C + D
On dit que l’équilibre chimique est un équilibre dynamique ou stationnaire.
III - III - Équilibre thermodynamiqueÉquilibre thermodynamique
L'équilibre mécanique d'un solideL'équilibre mécanique d'un solide
La poussée d’Archimède exercée sur un objet est égale au poids
du fluide déplacé, c’est le principe d’Archimède :
AP
P
exige que la résultante des forces appliquées au système soit nulle.
0 gm P A
u
AP
P
S
F
u.g..V P FFA
u.g..V- u.g.m - P SSS
III - III - Équilibre thermodynamiqueÉquilibre thermodynamique
L'équilibre mécanique d'un gazL'équilibre mécanique d'un gaz
Exige que la pression qui règne au sein du fluide soit partout la
même et équilibrée par la réaction des parois.
On considère un ballon rempli d'un gaz
à la pression P1, dans l'atmosphère d'une
pièce ou la pression est P2.
P1
P2
Si on suppose que P1 est différente de P2, (P1 > P2 ou P1 < P2 )
alors on n'a pas d'équilibre mécanique.
On supposera que P1 > P2.
III - III - Équilibre thermodynamiqueÉquilibre thermodynamique
L'équilibre mécanique d'un gazL'équilibre mécanique d'un gaz
Pour atteindre un
équilibre, le volume du
ballon doit augmenter
P1
P2
Après un certain temps, le volume du ballon
est tel que la pression du gaz à l'intérieur est
la même que la pression atmosphérique :
c’est l’équilibre
P1
P2
P
P
La pression dans la pièce a donc un peu augmenté :
P2 < P < P1
III - III - Équilibre thermodynamiqueÉquilibre thermodynamique
L'équilibre thermique au sein d'un systèmeL'équilibre thermique au sein d'un système
exige que toutes les parties soient à la même température à
moins que les différentes parties du système ne soient séparées
par des parois parfaitement adiabates.
L’équilibre thermodynamique d’un systèmeL’équilibre thermodynamique d’un système
III - III - Équilibre thermodynamiqueÉquilibre thermodynamique
PerturbationX
temps
Xéquilibre
to
est stable si toutes les grandeurs thermodynamiques qui le
caractérisent reviennent, dans un temps plus ou moins long, à
leurs valeurs initiales, après la disparition d’une influence ayant
causé une petite perturbation du système :
IV - IV - État thermodynamiqueÉtat thermodynamique
L'état thermodynamique d'un système est l'ensemble de valeurs,à un instant donné, des paramètres indépendants qui
caractérisent le système.
L'ensemble de valeurs des réponses à un instant donné, obtenu
à partir d'un ensemble de valeurs de contraintes choisies audépart définit l'état thermodynamique d'un système.
Système
Contraintes Réponses
IV - IV - État thermodynamiqueÉtat thermodynamique
Si Xi (i = 1, ..., n) sont les réponses du système, l'espace à n
dimensions des Xi variables s'appelle : espace des réponses ou
espace de phases.
Dans cet espace, l'état du système est représenté par un pointde coordonnées (X1, X2, ....., Xn) qui décrit une trajectoire en
fonction du temps.
Si, quelque soit i, on a :
la trajectoire se réduite à un point, l'état du système est dit stationnaire.
0 dt
dXi
IV - IV - État thermodynamiqueÉtat thermodynamique
L'état d'un système monophase en équilibre est décrit par sacomposition chimique, sa masse, et un certain nombre de
grandeurs appelées fonctions d'état, en particulier :
le volume (V) la pression (P) la température (T)
l'énergie interne (U)
l'enthalpie (H)
l'entropie (S)
l'énergie libre (F)
l'enthalpie libre (G)
IV - IV - État thermodynamiqueÉtat thermodynamique
En général, l'état d'un système monophase, chimiquement inerteet en équilibre, est entièrement déterminé par :
- sa composition chimique ;
- sa masse ;
Dans ce cas, si deux fonctions d'état indépendantes sont fixées,toutes les autres fonctions d'état le sont aussi :
- deux fonctions d'état indépendantes (P et V par exemple).
le système est dit bivariant.
V - V - Fonction (variable) d’étatFonction (variable) d’état
a) a) DéfinitionDéfinition : :
Une forme différentielle :
Une fonction d'état ou variable d’état, est une fonction dont la
forme différentielle est une différentielle totale exacte.
dF = P(x,y,z).dx + Q(x,y,z).dy + R(x,y,z).dz
est une différentielle totale exacte si :
z,y)xF(P
z,x)y
F(Q y,x)z
F(R
dz)zF(dy)
yF(dx)
xF( dF y,xz,xz,y
ou :
V - V - Fonction (variable) d’étatFonction (variable) d’état
a) a) DéfinitionDéfinition : :
L’intégrale de dF dans ce cas
est égale à la différence des
valeurs que prend la fonction F
aux points A et B.
L'accroissement de F entre A et B ne dépend que de l'état initial
et de l'état final :
)z,y,F(x - )z,y,F(x dF )B,A(F AAABBB
B
A
A
B1
2
V - V - Fonction (variable) d’étatFonction (variable) d’état
a) a) DéfinitionDéfinition : :
Pour distinguer entre une différentielle totale et une forme
différentielle quelconque on note :
d : symbole pour une différentielle totale
: symbole pour une différentielle quelconque
W, Q, …
dU, dS, dH, …
V - V - Fonction (variable) d’étatFonction (variable) d’état
b) b) ConséquencesConséquences : :
L'intégrale curviligne de la différentielle d'une fonction d'état
le long d'un contour fermé est nulle :
0 U dU
L'intégrale curviligne de la différentielle d'une grandeur de
parcours, le long d'un contour fermé, est en général non nulle :
0 W
0 S dS
0 Q
Ces propriétés montrent qu'un système thermodynamique
peut échanger du travail et/ou de la chaleur avec l'extérieur
même en décrivant un cycle (une trajectoire fermée).
V - V - Fonction (variable) d’étatFonction (variable) d’état
b) b) ConséquencesConséquences : :
Le choix des variables d'état dépend de la nature du problème
traité.
Nous pouvons séparer l'ensemble de ces variables d'état en :
- variables d'état dites
"extensives""extensives", proportionnelles
à la quantité de matière du
système,
- variables d'état dites
« intensives"« intensives",
indépendantes de la
quantité de matière, donc
par extension,additivesadditives ; non additivesnon additives ;
V - V - Fonction (variable) d’étatFonction (variable) d’état
b) b) ConséquencesConséquences : :
- la température ;
- la vitesse ;
- l’accélération ;
- la pression ;
- la densité des particules ;
- la masse volumique ;
- la tension superficielle, etc…
Parmi les grandeurs intensives
courantes, on peut citer :
Parmi les grandeurs extensives
courantes, on peut citer :
- la masse ;
- le volume ;
- la surface, la longueur ;
- le nombre de particules ;
- la charge électrique ;
- l’entropie, l’enthalpie ;
- le débit, les forces, etc...
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
Une transformation thermodynamique est l'opération au cours de
laquelle l'état du système se modifie en passant d'un état initial 1
à un état final 2.
1
(P1,V1,T1, …)
2
(P2,V2,T2, …)
Un système peut ainsi subir une seule transformation (1-2)
ou parcourir une suite de transformations (1-2, 2-3, 3-4, etc.).
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
Un système peut ainsi subir une seule transformation (1-2)
ou parcourir une suite de transformations (1-2, 2-3, 3-4, etc.).
12
3 4
(P1,V1,T1, …)(P2,V2,T2, …)
(P3,V3,T3, …) (P4,V4,T4, …)
Le diagramme H-S s'identifie au diagramme T-S à un changement de l'échelle des
ordonnées près (h = cpT + cste).
P
V
AB
C DP1
P2
VC VD VAVB
P
V
A
C DP1
P2
VC VD VA
B
Diagrammes P-V
T
S
CB
A B
SBSA
D
T1
T2
Q1 = T1 (SB - SA)
Q2 = - T2 (SB - SA)
W = Q1 + Q2
Diagramme T-S
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
Les transformations sont caractérisées par des dénominations
(appellations) précisant leur nature.
Dans le cas général, lors d’une transformation, lorsque toutes les
variables d'état changent simultanément, la transformation est
parfois dite "polytropique".
Il est possible que certaines variables d'état restent constantes
lors d'une transformation thermodynamique.
Selon la transformation, on distingue les cas suivants :
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
• Quand le volume du système reste constant V = 0 :
nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isochore " ;
• Quand la pression du système reste constante P = 0 :
nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isobare " ;
• Quand la température du système reste constante T = 0 :
nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isotherme " ;
• Quand l’énergie interne du système reste constante U = 0 :
nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isénerge " ;
Selon la transformation, on distingue les cas suivants :
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
• Quand l’enthalpie du système reste constante H = 0 :
nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isenthalpe " ;
• Quand l’entropie du système reste constante S = 0 :
nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isentrope " ;
• Quand le système n’échange pas d’énergie chaleur avec l’extérieur Q = 0 : la transformation est dite adiabate ;
• Quand la transformation adiabate est réversible, elle est dite isentrope.
On distingue deux types d’opérations :
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
Transformations réversibles et irréversiblesTransformations réversibles et irréversibles
• Les opérations mécaniquesLes opérations mécaniques
• Les opérations thermiquesLes opérations thermiques
(transfert-travail et transfert de masse)
Chacune des opérations peut donner lieu à un phénomène
réversible ou irréversible.
(transfert de chaleur ou transfert-chaleur).
a)a) Opération mécaniqueOpération mécanique ::
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
On considère un cylindre
thermiquement isolé, rempli d’un
gaz et muni d’un piston susceptible
de se déplacer sans frottement.
On exerce une force sur le piston
de façon à le déplacer de la
position 1 à 2.
Au cours de cette compression, le
gaz reçoit de l’extérieur le travail W.
Compression d’un gaz
2 1
W
12
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
Le système répond à cette action extérieure :
- il évolue de façon à adapter ses réponses aux contraintes
imposées,
Du point de vu thermodynamique, la vitesse avec laquelle on
effectue l'opération joue un rôle très important :
a)a) Opération mécaniqueOpération mécanique
- mais la réponse à une perturbation extérieure n'est
jamais instantanée.
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
- - si le déplacement est très rapidesi le déplacement est très rapide : :
a)a) Opération mécaniqueOpération mécanique
juste après l'application de la perturbation, le système va se
trouver en déséquilibredéséquilibre :
température et pression non uniformes,
volume massique variable dans l'espace, ...
On ne retrouve un état d'équilibreéquilibre qu'un certain temps après
l'arrêt du piston : la transformation 1-2 est dite irréversible. la transformation 1-2 est dite irréversible.
L'expérience montre qu'il est impossible de ramener le système
de l’état 2 à l'état 1 en mettant en jeu une énergie - travailénergie - travail égale
en valeur absolue à WW.
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
a)a) Opération mécaniqueOpération mécanique
le système subit des déséquilibres moins importants.
- - si le déplacement se fait lentementsi le déplacement se fait lentement : :
A la limite, lorsque le déplacement s'effectue infiniment
lentement, le système reste tout le temps en équilibre entre
1 et 2.
la transformation est dite réversible.la transformation est dite réversible.
Il est possible dans ce cas de ramener le système à l'état 1 en
mettant en jeu un travail égale à - W- W :
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
RemarqueRemarque : :
La vitesse n'est pas une cause d’irréversibilité : la cause
mécanique d'irréversibilité c'est le frottement.
Dans l'expérience de Joule, si la viscosité du fluide est nulle,
la température restera constante quelque soit l'énergie-travail
fournie au système.
Dans un fluide le frottement est dû à sa viscosité.
La chute d'une pierre dans un fluide n'amortit pas sa vitesse si
la viscosité du fluide est nulle, etc.
Lors d’un frottement, on assiste toujours à une transformation
spontanée de l’énergie mécanique en énergie thermique.
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
RemarqueRemarque : :
On dit que l'énergie mécanique est plus noble que l’énergie
thermique, de même, l’énergie électrique est plus noble que
l'énergie mécanique.
Cette perte d'énergie par frottement, nous l’appellerons par la
suite une dissipation.
De ce fait, on conçoit d'une manière générale qu'il est plus facile
de transformer l'énergie mécanique en énergie thermique que
l'inverse.
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
Soit une masse de fluide en contact avec une source
thermique dont elle est séparée par une paroi conductrice.
Source Fluide
Ts Tf
A l’état initial 1, le fluide est en équilibre avec la source à la
température Tf1 = Ts1
b)b) Opération thermique (transfert-chaleur)Opération thermique (transfert-chaleur)
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
En modifiant la température TS de la source, on peut provoquer
un transfert-chaleur entre la source et le système :
le système évolue vers un autre état d'équilibre final 2, et reçoit
au cours de cette opération l'énergie-chaleur Q.
Source Fluide
Ts Tf
Q
b)b) Opération thermique (transfert-chaleur)Opération thermique (transfert-chaleur)
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
Si nous modifions la température de la source d'une façon
rapide à partir de l'instant to, le système qui était en équilibre
dans l'état 1 se trouve en déséquilibre dès le temps t1 + dT et
ne retrouve un nouvel état d’équilibre thermique à T2 = Ts2
qu'un certain temps après l'arrêt de la modification de Ts.
Température
To
Ts
Q
Source
Espace
Système
Paroi
T(t)
Profil de température dans la paroi conductrice et dans son voisinage.
b)b) Opération thermique (transfert-chaleur)Opération thermique (transfert-chaleur)
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques
Ce qui est important à considérer ici c’est que l’énergie
chaleur Q passe d'un niveau énergétique caractérisé par la
température Ts à un niveau énergétique caractérisé par la
température T < Ts.
Température
To
Ts
Q
Source
Espace
Système
Paroi
T(t)
Profil de température dans la paroi conductrice et dans son voisinage.
b)b) Opération thermique (transfert-chaleur)Opération thermique (transfert-chaleur)
T
tto
Influence de la variation de Ts sur l’irréversibilité de l’opération
Plus la vitesse de variation de Ts est faible, moins il y a déséquilibre et moins l'opération est irréversible.
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiquesb)b) Opération thermique (transfert-chaleur)Opération thermique (transfert-chaleur)
- Une opération thermique réversible est une succession d'états d'équilibre thermique.
- Tout transfert-chaleur avec chute de température est une opération thermique irréversible.
- Un transfert-chaleur ne tend vers une opération thermique réversible qu'à la limite où la chute de température est nulle.
- Le passage d'énergie thermique se fait toujours
spontanément de la température la plus élevée à la
température la plus basse.
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiquesb)b) Opération thermique (transfert-chaleur)Opération thermique (transfert-chaleur)
RemarquesRemarques : :
D'une manière générale, il est plus facile de faire passer de
l'énergie thermique d'un corps à température plus élevée à un
corps à température plus basse.
Le phénomène de diminution du niveau d'énergie qui
accompagne le transfert-chaleur est un phénomène de
dévalorisation.
Nous appellerons par la suite dévalorisationdévalorisation, la perte d'énergie
par transfert-chaleur avec chute de température.
VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiquesb)b) Opération thermique (transfert-chaleur)Opération thermique (transfert-chaleur)
RemarquesRemarques : :
Donc un transfert de chaleur est d'autant plus précieux que le
niveau d'énergie est plus élevée.
FIN DU CHAPITRE 1FIN DU CHAPITRE 1
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