Thermodynamique
Renseignements pratiques (2009-2010):– Jeudi 13h00-15h00, A200
» http://www.fundp.ac.be/~jpvigner/ichec/princ_zero.ppt» http://www.fundp.ac.be/~jpvigner/ichec/princ_premier.ppt» http://www.fundp.ac.be/~jpvigner/ichec/princ_second.ppt» http://www.fundp.ac.be/~jpvigner/ichec/fonctions_etat.ppt
– [email protected]– 081/724711– Département de Physique, Facultés Universitaires Notre-
Dame de la Paix, 61 rue de Bruxelles, 5000 Namur
Plan du cours
Définitions Température Premier principe Second principe Fonctions d’états
Plan du cours Définitions
– Énergie et transformations d’énergie– Système et milieu extérieur– État et variables thermodynamiques– Transformation réversible et irréversible
Température Premier principe Second principe Fonctions d’états
Plan du cours
Définitions Température
– États de la matière– Principe zéro de la thermodynamique– Le gaz parfait et l’échelle des températures absolues
Premier principe Second principe Fonctions d’états
Plan du cours
Définitions Température Premier principe
– Échange d’énergie : chaleur et travail– Conservation de l’énergie interne– Transformations du gaz parfait
Second principe Fonctions d’états
Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe
– Réversibilité et irréversibilité– Rendement maximum des machines thermiques– Entropie– Théorème de croissance de l ’entropie– Ordre et désordre
Fonctions d’états
Plan du cours
Définitions Température Premier principe Second principe Fonctions d’états
– Énergie interne et enthalpie– Entropie– Énergie libre de Helmholtz– Énergie libre de Gibbs
Système et milieu extérieur
Système
milieu extérieur matière
chaleur
travail
+
-
Systèmeouvertferméisolé
États d’un système
États microscopiques d’un système– État (coordonnées, vitesses…) des molécules qui le
composent
États macroscopiques d’un système– État du système décrit (un petit nombre) des propriétés
moyennes : variables thermodynamiques (P,T,V,,…)
Équations d ’état– PV=nRT (gaz parfait)– ensemble complet de variables
Energie thermique
Energied’agitationthermique auniveau moléculaire
molmolmv2
21
La température
Notion d’équilibre thermique Principe zéro de la
thermodynamique Concept de température Le thermomètre à gaz parfait Échelle absolue des températures
Équilibre thermique
A B
A B
Flux d’énergie ?
OUI NON
Système A-Bhors d’équilibre
Système A-Ben équilibre
A et B ont atteint l’équilibre thermique
Équilibre thermique
A ~ BA « est en équilibre thermique avec » B
Relation d’« équivalence »
A ~ ASi A ~ B, alors B ~ A
Si A ~ B et B ~ C, alors A ~ C
PARTITION DE L’ENSEMBLE A, B, C...
PRINCIPEZERODE LATHERMODYNAMIQUE
Organisation de classes
B
DC
N
E JF
I
HK
G
ML
A
Numérotation des classes pour la relation d ’équilibre thermique
Corps del’univers en équilibre
T1
T2T3
T4
T5
T6
T7
Température : caractéristique commune à unensemble de corps qui sont tous en équilibre thermique
Étiquette de classe : TEMPERATURE
Retenir...
A « est en équilibre thermique avec » B
A et B ont la même température
Température : « Etiquette » qui caractérise les corpsqui sont en équilibre thermique les uns avec les autres
Thermomètre
Éta
lonn
age
Uti
lisa
tion
Objet qui changed’aspect si l’onmodifie satempérature
Doit changer de Tsans (quasiment)absorber de chaleur
Recherche d ’un thermomètre idéal Solide ou liquide : molécules contenant
de l’énergie cinétique (mouvement) et potentielle (forces entre atomes)
Gaz : molécules contenant essentiellement de l ’énergie cinétique
Energie cinétique moléculaire
N
iic mvU
1
2
21
1v
2v
3v
2
21
mcNUc
N
iiv
Nc
1
22 1
Si l’on pose
c : vitesse quadratique moyenne
Masse des atomes et des molécules
Unité de masse atomique
kg 10660,112
1 27 Cmuma
Atome de carbone 12 :
Z=6(6 protons, 6 électrons)
A=12(12 nucléons)
kg 10673.1 27pm
kg 10675.1 27nm
kg 1011.9 31em
Masse atomique, masse moléculaire
umaCM 1212 CCCumaCM 121314 , , 01115,12
kg
kg
uma
umauma
OMCMCOM
26
27
2
107.3079
10660.1009.44
009.44
999.15201115.12
2
umaumaMHM 016.2008.1222
1 mole
Quantité de matière dont la masse, exprimée en 10-3 kg, est numériquement égale à la masse moléculaire, exprimée en uma.
Exemples :
23
2 de 10009,44 de mole Une COkgCO
23
2 de 10016,2 de mole Une HkgH
Nombre de molécules dans une mole de CO2
2
2
de molécule uned' Masse de mole uned' Masse
COCO
Nmole
kg
kguma
kgNmole
10660.1
10 44.009
1044.00927
3-3-
231002.6 moleN
Indépendant de la nature du gaz
Avogadrod' nombre:1002.6 23AN
Thermomètre à gaz parfait
molécules parfait gaz de moles AnNn
Caractérisation de l’agitation thermique :
2
21
mcnNU A
Convention pour l’échelle des températures :
k : constante précisant l’unité
« PARFAIT » : énergie purement cinétique
kTmcdéf 2
321 2
Changements d’ « aspect » du gaz parfait avec la température
Pression d’un gaz parfait sur les parois d’un récipient
• Énergie uniquement cinétique: pas de force d’interaction
• Temps de collisions négligeable
• Collisions uniformisent la distribution des énergiesn moles
volume V=lxlylz
Calcul de la pression
S
fnNp A
f Force résultant d’unecollision moléculairesur la paroi frappée
xxx mcmcmcftF 2)()( Force sur la molécule
xmc
f2
Force sur la paroi lzly emoléculairimpact un d' duréet
xl 2retour-allerun d' durée
Calcul de la pression (2)
S
fnNp A
xmc
f2
yz
xA ll
mcnNp
2
x
x
c
l2zyx
xA lll
mcnNp
2
2
212
xA mcnNV
p
222
2222
zyx
zyx
ccc
cccc
22
31
ccx
2
21
32
mcNVn
p A
Mesure de la température via la pression du gaz parfait
2
21
32
mcNVn
p AkTmc
déf 23
21 2
kTNVn
p A
pn
V
AnNpV
kT nRTpV
Unité sur l’échelle de température
AnNpV
kT défini
Posons : 11
123
31.8
1038.1
moleJKkNR
JKk
A
On obtient l’échelle detempérature absolue,ou échelle Kelvin
Repère expérimental
Point tripleEau
GazParfait
même pressionmême température
)(611 2 NmPap
TV
knNp A
KTdéf
16.273
2.236816.273
611
Tp
kNVn
A
1323-23
7171.32.2368
101.3806106.0222.2368
molemkN
nV A
Paroi mobile
Diagramme d’état de l’eau
Conditions normales
10 101300 Nmp
KT 16,2730
2271.190 nkTNnpV A
1611 Nmp
13 3.7172611
2271.19 molemnV
) 4.22( 0.02241013002271.19 113 molelitremolem
nV
Autres échelles de température
C)( 15.273 Ttc
F)( 59
32 cF tt
C)( 15.273 absoluzéro
F)( 67.459 absoluzéro
Ne pas utiliser en physique!