Cours thermodynamique BCG
Cours thermodynamique
Notions fondamentales de la thermodynamique
I. 1. Introduction générale
La thermodynamique est une science apparue à la fin du 17ème siècle, initialement motivée par le besoin de créer des machines pour l'industrie naissante. Denis Papin, un physicien français (1647-1714), a contribué à cette science en observant l'effet de la vapeur d'eau sur un couvercle, ce qui l'a conduit à concevoir une machine à vapeur.
La thermodynamique s'intéresse à la transformation de la chaleur en travail. Son nom provient du grec signifiant "chaleur" et "force". Elle peut être décrite sous deux aspects :
a. Aspect macroscopique
On s'intéresse aux propriétés de la matière à l'échelle globale, décrites par des variables d'état macroscopiques telles que la pression (P), le volume (V), la température (T), et la masse (m).
b. Aspect microscopique
On s'intéresse aux propriétés de la matière à l'échelle atomique, en utilisant les grandeurs cinétiques des molécules ou des atomes, telles que la pression individuelle (Pi), la vitesse (Vi), et l'énergie (Ei).
Selon l'aspect considéré, on distingue entre la thermodynamique classique et la thermodynamique statistique.
a. Thermodynamique classique
Elle explique le comportement de la matière en fonction de ses variations d'énergie et d'entropie, en ne considérant que les états initiaux et finaux des systèmes en évolution.
b. Thermodynamique statistique
Elle cherche à expliquer les variables macroscopiques et les notions de chaleur, de travail, et d'entropie en les reliant à l'agitation moléculaire.
I. 1. 1. Notion de température
La température est liée à l'agitation moléculaire de la matière. Lorsque la vitesse des molécules (Vi) et leur énergie cinétique (Ei) augmentent, l'agitation thermique augmente. À 0 K (zéro absolu, -273°C), les atomes et molécules sont immobiles.
Exemple : Dans un gaz contenu dans une enceinte, les molécules se déplacent de manière aléatoire.
La température est définie par la relation suivante :
Où :
- est la masse des particules.
- est la vitesse des particules.
- est une constante.
- est la température.
Plusieurs échelles de température existent, comme l'échelle Celsius et l'échelle absolue (Kelvin). La température est mesurée avec un thermomètre.
Types de thermomètres courants :
- Thermomètres à mercure.
- Résistances de platine (200 à 630°C).
- Thermocouples (effet Seebeck, 600 à 1300°C).
- Résistances à semi-conducteurs en germanium (T < 77 K).
I. 1. 2. Notion de pression
La pression est due aux chocs des atomes ou molécules sur les parois d'un récipient.
Exemple : Dans une enceinte contenant un gaz, les molécules en agitation permanente exercent une pression sur les parois.
I. 1. 3. Échange d’énergie
Les échanges d'énergie se présentent sous deux formes :
- Chaleur (Q)
- Travail (W)
À l'échelle microscopique, la chaleur est une manifestation désordonnée de l'agitation moléculaire, tandis que le travail est une manifestation ordonnée.
Ce bref aperçu des notions fondamentales de la thermodynamique met en lumière l'importance de cette science dans notre compréhension du monde physique. Pour ceux qui souhaitent en savoir plus, les chapitres suivants de notre cours de thermodynamique approfondiront chaque concept avec des exemples et des applications pratiques.
Tables des matières
CHAPITRE I : Notions fondamentales de la thermodynamique
I. 1. Introduction générale…………………………………………………………… 01
I.1.1. Notion de la température…………………………………………………… 02
I.1.2. Notion de la pression………………………………………………………. 03
I.1.3. Echange d’énergie…………………………………………………………. 05
I.1.4. Unités………………………………………………………………………. 05
I.2. Systèmes thermodynamiques et états d’équilibre……………………………….. 06
I.2.1. Définition du système………………………………………………………. 06
I.2.3. Evolution ou transformation du système……………………………………. 07
I.2.4. Equations d’état du système…………………………………………………. 08
I.2.5. Représentations graphiques des évolutions du système…………………….. 10
I.2.6. Fonctions d’état…………………………………………………………….. 11
I.2.7. Principe zéro………………………………………………………………… 12
CHAPITRE II : Echanges d’énergie : travail, chaleur, énergie interne
II.1. Introduction………………………………………………………………………. 13
II.2. L’énergie interne (U)……………………………………………………………... 13
II.2.1. Propriétés de l’énergie interne……………………………………………… 13
II.3. La chaleur (Q) ……………………………………………………………………. 14
II.3.1. Chaleur sensible…………………………………………………………….. 14
II.3.2. Chaleur latente……………………………………………………………… 15
II.3.3. Calorimétrie………………………………………………………………… 16
II.4. Le travail (W)…………………………………………………………………….. 19
II.5. Convention du signe d’énergie…………………………………………………… 21
II.6. Le 1er principe de la thermodynamique…………………………………………... 22
II.6.1. Enoncé du 1 er principe de la thermodynamique……………………………. 22
II.7. L’enthalpie H…………………………………………………………………….. 23
II. 8. Capacité calorifique……………………………………………………………… 24
II.9. Les transformations réversibles…………………………………………………... 26
II.9.1. Transformation isochore (à volume constant)........................……………..... 26
II.9.2. Transformation isobare (à pression constante).....…………………………... 27
II.9.3. Transformation isotherme (à température constante)……....………….……. 29
II.9.4. Transformation adiabatique (chaleur Q constante)………………....……….. 30
CHAPITRE III : Thermochimie : Application du 1 er principe à la chimie
III. 1. Etat standard et chaleur de réaction…………………………………………….. 36
III. 2. Relation entre l’enthalpie et l’énergie interne d’une réaction chimique………... 38
III.3. Enthalpie standard de réaction…………………………………………………… 39
III.4. Loi de HESS…………………………………………………………………….. 40
III.5. Loi de KIRCHOFF……………………………………………………………… 43
III.6. Energie de la liaison covalente…………………………………………………... 45
CHAPITRE IV : 2ème principe de la thermodynamique
IV.1. Introduction……………………………………………………………………… 47
IV.2. Nécessité d’un deuxième principe……………………………………………….. 47
IV.3. Enoncés du second principe……………………………………………………... 48
IV.3.1. Enoncé de CLAUSIUS……………………………………………………… 48
IV.3.2. Enoncé de KELVIN………………………………………………………… 48
IV.3.3. Enoncé mathématique………………………………………………………. 49
IV.4. Notion d’entropie………………………………………………………………... 51
IV.5. Calcul de la variation d’entropie………………………………………………… 53
IV.5.1. Transformation isotherme réversible………………………………………. 53
IV.5.2. Transformation isobare réversible………………………………………….. 53
IV.5.3. Transformation isochore réversible………………………………………… 54
IV.5.4. Transformation adiabatique…………………………………………………. 54
IV.5.5. Au cours d’un changement d’état…………………………………………… 54
IV.6. Nouvelles expressions de l’entropie……………………………………………... 55
IV.7. La notion d’entropie créée……………………………………………………….. 57
IV.8. La variation d’entropie lors d’une réaction chimique…………………………… 60
IV. 9. L’enthalpie libre d’une réaction chimique……………………………………… 60
IV.10. Les machines thermiques………………………………………………………. 62
IV.10.1. Machines thermodynamiques (T.D)……………………………………….. 62
IV.10.2. Machines dynamo-thermiques (D.T)…………………………………….. 63
IV.11. Cycles thermodynamiques……………………………………………………... 64
IV.11.1. Cycle de Carnot………………………………………………………….. 65
IV.11.2. Cycle de Beau Rochas (OTTO)………………………………………….. 66
IV.11.3. Cycle de Diesel…………………………………………………………… 66
IV.11.4. Cycle de Rankine………………………………………………………… 67
IV.11.5. Cycle de Stirling………………………………………………………….. 68
Références bibliographiques…………………………………………………………. 71
