Thermodynamique : les fondamentaux Extrait du programme Thermodynamique : fondamentaux Notions et contenus Capacités exigibles Énergie interne U d un système Vocabulaire et définitions : système, état d équilibre, variables d état, divers types de transformations. Premier principe de la thermodynamique. Identifier les grandeurs physiques caractérisant l'état d'un système. Établir un bilan d énergie lors d un transfert thermique ou d'un travail entre deux systèmes en phase condensées. Exploiter le premier principe de la thermodynamique dans des cas simples. La thermodynamique est l étude d un système en fonction des échanges d énergie mécanique (travail noté W) et thermique (chaleur notée Q) avec le milieu extérieur au système. Il s agit d une branche récente de la physique, elle date du début du XIX siècle. Ce développement est lié à l invention et la mise au point des machines à vapeur de James WATT (1736-1819). C est la science de tous les phénomènes qui dépendent de la température et de ses changements. 1. Qu est ce que la température. 2. Vocabulaire et définition 2.1 Système thermodynamique 2.1.1 Système ouvert 2.1.2 Système fermé 2.1.3 Système isolé 2.1.4 Équilibre thermodynamique 2.2 Variables d état 2.2.1 Les paramètres intensifs 2.2.2 Les paramètres extensifs 2.3. Transformation d un système thermodynamique 2.3.1 Transformation irréversible 2.3.2 Transformation réversible 2.3.3 Transformation isobare 2.3.4 Transformation isochore 2.3.5 Transformation isotherme 2.3.6 Transformation adiabatique 2.3.7 Transformation cyclique 3. L énergie qu est ce que c est? 3.1 Convention de signe des échanges d énergie 3.2 Énergie et puissance 3.3 Différentes formes de l énergie 3.3.1 L énergie cinétique 3.3.2 L énergie potentielle 3.3.3 L énergie interne 4. Le premier principe de la thermodynamique 5. Les échanges d énergie sous forme de travail 5.1 Travail de force mécanique 5.2 Travail de pression 5.3 Travail électrique 6. Les échanges d énergie sous forme de chaleur Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance 2015-2016 Page 1/ 7
1. Qu est ce que la température? Nous sommes tous capables de dire «comment un corps est chaud ou froid» mais le succès du XIX siècle est d avoir donné une définition de la température absolu d un corps. Cette définition conduit à la création de l échelle Kelvin. Sur cette échelle la température minimale pour tous les corps est le zéro absolu soit 0 K ou encore -273,15 C. Le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse exister ; elle correspond à l'absence d'agitation thermique, mais elle est inaccessible L échelle Celsius est construite par rapport à la température de fusion de l eau à 0 C et la température d ébullition de l eau à 100 C Il existe aussi l échelle Fahrenheit telle que T( F) = 1,8 T( C) + 32 Donner la position du point de fusion de l eau sur cette échelle et celle du point d ébullition. 2. Vocabulaire et définition 2.1 Système thermodynamique C est une portion de l'univers que l'on isole par la pensée du reste de l'univers que l'on baptise alors milieu extérieur. C est un ensemble de corps limité par une surface (Σ) (réelle ou fictive) à travers laquelle se font les échanges d énergie et de matière avec l extérieur. système extérieur 2.1.1 Système ouvert ou fermé Un système thermodynamique est ouvert lorsqu il échange de l énergie et de la matière avec l extérieur. Exemple : une ballon qui se dégonfle. 2.1.2 Système fermé Un système thermodynamique est fermé s il échange de l énergie mais pas de matière avec l extérieur. Exemple : une bouillote 2.1.3 Système isolé Un système thermodynamique est isolé lorsqu il échange ni énergie ni matière avec l extérieur. Exemple : un vase de wear ou un calorimètre ou un thermos 2.1.4 Équilibre thermodynamique Un système thermodynamique est en équilibre thermodynamique s il est à la fois en équilibre thermique, mécanique et chimique. (Σ) 2.2 Variables d état On a besoin de variables pour décrire l état d un système appelées paramètres ou variables d état. Pour les fluides (qui prennent la forme du récipient qui les contient) on utilisera la pression (notée p), le volume (noté V) et la température (notée T). À l état d équilibre, ces trois variables n évoluent pas sans intervention extérieur. Ce qui a de l intérêt pour le physicien c est la relation qui relie les variables d états appelée ÉQUATION D ÉTAT D UN FLUIDE. La pression p sera donnée en pascal Pa (1bar = 10 5 Pa = 1atm) Le volume V sera donnée en mètre cube m 3 (1m 3 = 1000L) La température sera donnée en kelvin K (0K = 273 C) Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance 2015-2016 Page 2/ 7
2.2.1 Les paramètres intensifs Ils ne dépendent pas de la taille du système ie de la quantité de matière (n en mol). Si on associe deux systèmes identiques pour en obtenir un plus grand, leurs valeurs restent inchangées. Exemple : T ;p ;d ;Cm ;Cv ;Vm 2.2.2 Les paramètres extensifs Ils dépendent de la taille du système. Si on associe deux systèmes identiques pour en obtenir un plus grand, leurs valeurs seront multipliées par deux. Exemple : V ; m ;n ;E Exemple : si on mélange deux bouteilles contenant 1L d eau chacune, à la température de 20 C, la température finale est 20 C et non pas 40 C. Il en serait de même avec la pression qui restera la même. En revanche, le volume V final sera égal à 2 L, et la quantité de matière globale sera doublée. Calculer la quantité de matière contenue dans 2L d eau pure. 2.3. Transformation d un système thermodynamique Une intervention extérieur fait évoluer un système en équilibre thermodynamique : on dit qu il subit une transformation d un état A (défini par p A ;V A ;T A ) à un état B(défini par p b ;V B ;T B ) 2.3.1 Transformation irréversible Lorsque l évolution est brutale la transformation est dite irréversible. On ne peut donc appliquer l équation d état qu à l état initial et à l état final. 2.3.2 Transformation réversible Elle se résume à une suite continue d états d équilibres voisins et si l évolution inverse est possible. En réalité, les transformations réversibles ne doivent être considérées que comme des modèles vers lesquels tendent les transformations lorsque les effets de frottements cause d irréversibilité, peuvent être considérées comme négligeables! 2.3.3 Transformation isobare C est une transformation qui a lieu à pression constante. (Exemple : réaction chimique dans un tube à essai, le système est en contact avec la pression atmosphérique) 2.3.4 Transformation isochore C est une transformation qui a lieu à volume constant. (Exemple : récipient indilatable et inextensible : bouteille métallique avec gaz) 2.3.5 Transformation isotherme C est une transformation qui a lieu à température constante (Exemple : réaction chimique dans un tube à essai avec bain marie) 2.3.6 Transformation adiabatique C est une transformation au cours de laquelle il n y a pas d échange de chaleur Q A B = 0. C est un cas limite idéal mais on peut s en approcher avec un vase Dewar (ou calorimètre) (Exemple : explosion d un mélange air/essence dans un moteur à explosion il n y pas le temps d avoir des échanges thermiques avec le milieu extérieur) 2.3.7 Transformation cyclique Un système thermodynamique subit une transformation cyclique quand l état initial du système (état A) coïncide à l état final du système (état B). On dit que le système subit un cycle. Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance 2015-2016 Page 3/ 7
3. L énergie qu est ce que c est? Extrait du livre : Précis de physique-chimie de Pierre-François Thomas édition Bréal Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance 2015-2016 Page 4/ 7
3.1 Convention de signe des échanges d énergie Un système peut recevoir ou céder de l énergie du ou au milieu extérieur. Toute énergie gagnée par le système est comptée positivement. Toute énergie cédée au milieu extérieur est comptée négativement. (Idem qu un compte en banque) 3.2 Énergie et puissance La puissance représente la rapidité avec laquelle l énergie est échangée. Un système reçoit ou cède de l énergie à une certaine puissance. E : l énergie en J E = P t P : puissance en W t : temps écoulé en s 3.3 Différentes formes de l énergie Un système possède toujours de l énergie sous différentes formes : L énergie microscopique liée aux mouvements et interactions des atomes L énergie macroscopique liée à la position au mouvement global du système. 3.3.1 L énergie cinétique C est l énergie que possède un corps du fait de son mouvement. Elle dépend de la vitesse du mouvement d un objet. Elle peut être macroscopique (mouvement globale d un objet ) ou microscopique (vitesse d agitation des atomes constituant l objet) En translation : Ec = mv² Calculer l'énergie emmagasinée par une voiture de 835kg roulant en ligne droite à la vitesse constante de 50,0km.h -1. Même question si la vitesse vaut 100km.h -1. Expliquer pourquoi la distance de freinage est quatre fois plus élevée à 100km.h -1 qu'à 50km.h -1. 3.3.2 L énergie potentielle Cette énergie est liée aux interactions avec le milieu extérieur qui ont le potentiel de se transformer en Ec. L énergie potentielle de pesanteur est l énergie que possède un corps du fait de sa position dans un champ de pesanteur (due à son altitude) L énergie potentielle élastique est l énergie emmagasinée dans un corps à caractère élastique lorsque ce dernier est compressé ou étiré par rapport à sa position naturelle. Calculer l'énergie potentielle emmagasinée par un objet de masse 0,6kg à la hauteur h de 4m. 3.3.3 L énergie interne Elle représente les énergies cinétique et potentielle au niveau microscopique. Elle est notée U. Elle ne dépend que des paramètres du système (T ;n ;V ) Sa différentielle U est une différentielle totale ie que ses variations ne dépendent que de l état initial et final après transformation. Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance 2015-2016 Page 5/ 7
W ( F) A B : travail de la force F (en J) 1 ère année BTS SCBH 4. Le premier principe de la thermodynamique Il met en évidence la conservation de l énergie. Entre un état initial et un état final, la somme des variations de l énergie interne U, l Ecmacro et l Epmacro est égale à la somme des travaux des forces extérieures au système à laquelle on ajoute la somme des énergies échangées par transfert thermique ou rayonnement. U + Ec + Ep = Wext + Qext ie U = Ufinal Uinitial Conséquence des différents types de transformation Transformation isochore sans échange d'énergie avec l'extérieur sous forme de travail : U = Qv Transformation cyclique d'un système isolé : U cycle = 0 Système isolé en équilibre mécanique sans variation d'énergie interne : Ec + Ep = 0 = Em 5. Les échanges d énergie sous forme de travail 5.1 Travail de force mécanique Pour une force constante, suivant un mouvement rectiligne entre deux points A et B W ( F) A B =F AB cos(α) F : Intensité de la force (en N) α : angle entre la direction de la force et la direction AB (en rad) Calculer le travail du poids que l'on doit fournir pour élever (à la verticale) un objet de masse 0,6kg à la hauteur h de 4m. 5.2 Travail de pression Pour un système en équilibre, ou la variation de volume intérieur est égale à celle de l'extérieur. W : travail de la force de pression (en J) W=P ext V P ext : Pression extérieur (en Pa) V : Variation du volume (en m 3 ) Calculer le travail de la force de pression une variation de volume de 0,4L, à une pression extérieure de 1bar. 5.3 Travail électrique En régime continue, ou sinusoïdal permanent. W : travail électrique (en J) W=U I t U : Tension efficace aux bornes du dipôle (en V) I : Intensité du courant traversant le dipôle (en A) t : temps de fonctionnement (en s) Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance 2015-2016 Page 6/ 7
Calculer le travail électrique reçu par ce dipôle branché sur le secteur, avec I=8,3A pendant 1 heure. Données : U eff secteur = 220V NB : si le dipôle est un radiateur, assimilable à une résistance, l'ensemble du travail électrique est converti en chaleur Q, en joule. La Loi d'ohm s'applique. 6. Les échanges d énergie sous forme de chaleur Il est possible de calculer les énergies reçues par transfert thermique à partir des valeurs de températures, et de l'aptitude des matériaux à emmagasiner la chaleur (la capacité thermique C v ou C p, en J.kg -1 ). Les capacités thermiques sont connues à volume constant ou pression constante. Qv = Cv T ou Qp = Cp T Le plus souvent, on utilise les capacités thermiques massiques des matériaux (c v ou c p ; Cv = m c v ou Cp = m c p ). Quelle est l'énergie reçue par un morceau de fer de 800g chauffé de 80 C à 140 C? Données : capacité thermique massique du fer = 460J.kg -1.K -1. Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance 2015-2016 Page 7/ 7