Les Bases de la Thermodynamique : les principes fondamentaux et leurs applications directes.

Les Bases de la Thermodynamique : les principes fondamentaux et leurs applications directes.

Jacques Schwartzentruber (IMT Mines Albi) |

Concepts de base et définitions

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• Définition d'un système

  • Notion de système

    • • Système fermé - système ouvert.
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• Description d'un système : variables d'état

  • la température et la pression

    • Pression

      • • Principe de la mesure de pressions au moyen de manomètres à colonne de liquide.
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  • Variables intensives et extensives

    • • Réunion de deux systèmes identiques.
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• Transformation

  • • Schématisation d'une transformation virtuelle.
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• Échanges d'énergie

  • Travail des forces

    • • Travail de la pression extérieure appliquée à un système.
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  • Échanges de chaleur

    • • Principe de la calorimétrie.
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Premier principe de la thermodynamique

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• Échanges de chaleur

  • Transformation à pression constante

    • • Système à pression constante, imposée par un piston.
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  • Exercice : Rendement énergétique d'une voiture.

    • • Schématisation d'un système fermé : TITLEquot;voiture + volume d'air + volume des gaz d'échappementTITLEquot;.
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    • • Système fermé, à pression constante : combustion d'essence.
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• Le premier principe pour les systèmes ouverts

  • Expression générale

    • • Schématisation d'un système ouvert.
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    • • Définition d'un système fermé, à partir du système ouvert.
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  • Exercice : Application du premier principe : détendeur.

    • • Schématisation : passage d'un gaz à travers un détendeur.
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Second principe de la thermodynamique

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• Préambule

  • • Mise en contact de solide, de températures différentes.
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  • • Évolution de la température en fonction du temps : évolution autorisée par le premier principe et évolution réelle.
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• Équilibre thermodynamique

  • • Exemple de système dont les variables d'état sont constantes, mais qui n'est pas à l'équilibre : tige métallique siège d'un transfert de chaleur (température non homogène).
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• Réversibilité

  • • Transformation quasi-statique ou non.
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• Énoncé du second principe

  • • Calcul de la variation d'entropie liée aux échanges avec l'extérieur.
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• Conséquences immédiates du second principe

  • Échange de chaleur entre deux corps

    • • Transfert thermique entre deux corps : calcul de la variation d'entropie.
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  • Exercice : Bain tiède

    • • Mélange d'eau chaude et froide dans une baignoire.
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  • Exercice : L'effet Peltier

    • • Schéma d'un élément Peltier.
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• Mais au fond, qu'est-ce que l'entropie ?

  • • Entropie et dispersion.
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• Second principe pour un système ouvert

  • • Schématisation d'un système ouvert pour lui appliquer le second principe.
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Fonctions thermodynamiques

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• Applications

  • Équilibres entre phases

    • • Équilibre entre phases.
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Corps purs et changements de phases

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• Définitions

  • Changements de phase

    • • Les six grandes catégories de changements de phase.
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• Diagrammes de phases

  • Préambule

    • • Diagramme de phases de l'eau.
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  • Changement de phases liquide-vapeur et diagramme de Clapeyron

    • • Une isotherme sur le diagramme de Clapeyron.
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    • • Diagramme de Clapeyron de l'eau.
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    • • Diagramme de phases de l'eau.
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  • Comportement à pression constante

    • • Transformation à pression constante.
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    • • Enthalpie de vaporisation de l'eau en fonction de la température.
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  • Exercice : Comportement à volume constant

    • • Diagramme de Clapeyron : évolution de la pression, lorsque l'on passe d'une isotherme à l'autre à volume constant.
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    • • Diagramme de Clapeyron : évolution de la pression, lorsque l'on passe d'une isotherme à l'autre à volume constant.
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  • Changement de phase liquide-solide

    • • Diagramme de phases de l'eau.
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    • • Changements de phase du fer et variation de volume.
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• Modèles de représentation des corps purs et des équilibres entre phases

  • Exercice : Fusion de la glace par compression

    • • Expérience : mise en évidence de fusion de l'eau par compression.
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  • Expression de la pression de saturation liquide-vapeur

    • • Enthalpie de vaporisation de l'eau en fonction de la température.
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  • Diagrammes de corps purs

    • Les principaux diagrammes thermodynamiques

      • Le diagramme entropie-température

        • • Diagramme entropie-température de l'eau
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      • Le diagramme entropie-enthalpie (diagramme de Mollier)

        • • Diagramme entropie-enthalpie de l'eau
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      • Diagramme enthalpie-pression

        • • Diagramme enthalpie-pression de l'eau
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    • Simulateur : diagrammes thermodynamiques de corps purs

      • Exercice : Détente dans une vanne

        • • Enthalpie de vaporisation de l'eau en fonction de la température.
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      • Exercice : Détente dans une turbine

        • • Construction sur le diagramme entropie-enthalpie
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