Cours structure de la matiere thermodynamique
La thermodynamique est une branche fascinante de la physique qui étudie les échanges de chaleur et d'énergie. Que vous soyez un étudiant, un ingénieur ou simplement curieux, comprendre les principes de base de la thermodynamique peut vous offrir des perspectives précieuses sur le monde qui nous entoure. Dans cet article, nous explorerons les concepts clés de la thermodynamique, en mettant l'accent sur les propriétés des corps purs, la dilatation des matériaux et la thermométrie.
Les Propriétés des Corps Purs
Les corps purs, tels que l'eau ou le dioxyde de carbone, ont des propriétés spécifiques qui changent avec la température et la pression. Par exemple, la chaleur latente de vaporisation est la quantité de chaleur nécessaire pour transformer une unité de masse de liquide en vapeur à une température donnée. Cette chaleur diminue à mesure que la température augmente et s'annule au point critique. La formule de Clapeyron permet de relier cette chaleur latente à la pente de la courbe de vaporisation.
La Dilatation des Matériaux
La dilatation est un phénomène où les matériaux se dilatent lorsqu'ils sont chauffés. Ce principe est utilisé dans la construction de thermomètres. La dilatation des solides, comme une barre métallique, est proportionnelle à l'élévation de la température. De même, les liquides se dilatent davantage que les solides, ce qui est observable dans des expériences simples avec des ballons et des tubes de verre.
Pour les gaz, la dilatation peut se produire à pression constante ou à volume constant. Par exemple, lorsque la température d'un gaz augmente à pression constante, son volume augmente proportionnellement. Ce principe est crucial pour comprendre le comportement des gaz dans diverses applications industrielles.
La Thermométrie
La thermométrie est la science de la mesure de la température. Divers types de thermomètres sont utilisés pour cette mesure, y compris les thermomètres à résistance électrique et les thermistances. Les thermomètres à résistance électrique fonctionnent sur le principe que la résistance d'un conducteur augmente avec la température. Les thermistances, en revanche, sont des semi-conducteurs dont la résistance diminue rapidement avec l'augmentation de la température.
Conclusion
La thermodynamique est une science essentielle qui trouve des applications dans de nombreux domaines, de la météorologie à l'ingénierie. Comprendre les propriétés des corps purs, la dilatation des matériaux et les principes de la thermométrie peut non seulement enrichir vos connaissances, mais aussi vous aider à résoudre des problèmes pratiques. Que vous soyez un professionnel ou un amateur, les concepts thermodynamiques sont des outils puissants pour explorer et comprendre le monde qui nous entoure.
N'hésitez pas à approfondir vos connaissances en thermodynamique et à expérimenter par vous-même pour voir ces principes en action. La science est une aventure passionnante, et chaque découverte ouvre la porte à de nouvelles possibilités.
En explorant ces concepts, vous serez mieux équipé pour comprendre les phénomènes thermiques et leurs applications pratiques. Alors, plongez dans le monde fascinant de la thermodynamique et découvrez comment la chaleur et l'énergie façonnent notre univers.
Résumé de document
Le document traite de divers aspects de la thermodynamique, y compris les propriétés des corps purs, la dilatation des solides, des liquides et des gaz, ainsi que la thermométrie. Il aborde des concepts tels que la chaleur latente de vaporisation, la formule de Clapeyron, et les lois de la dilatation. Des exemples pratiques, comme l'utilisation des thermomètres à résistance électrique et les thermistances, sont également présentés. Le document inclut des démonstrations et des formules mathématiques pour expliquer les phénomènes thermodynamiques.
Table des matières
1 Thermométrie 9
1.1 Notion de température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Phénomènes accompagnant la variation de température : . . . 9
1.3 Choix de la grandeur physique évaluant la température : . . . 10
1.4 Notion d’équilibre thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Echelles thermométriques linéaires ´ . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.1 Echelle Celsius, approche historique ´ . . . . . . . . . . . 11
1.5.2 Echelle de Fahrenheit ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.3 Echelle absolue ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Autres thermomètres à dilatation de liquide . . . . . . . . . . 13
1.7 Thermomètre presqu’idéal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Notion de gaz parfait : définition . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.9 Equation d’un gaz parfait pour ´ n moles : . . . . . . . . . . . . 14
1.10 Autres thermomètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.11 Thermistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.12 Thermocouples : Effet Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.13 Applications industrielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.14 Pyromètres optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Dilatation des solides, des liquides et des gaz 17
2.1 Dilatation des solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Coefficient de dilatation linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Dilatation cubique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Relation entre le coefficient de dilatation cubique k et le coefficient de dilatation linéaire λ . . .21
2.5 Variation de la masse volumique . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 Dilatation des liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7 Coefficient de dilatation absolue . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.8 Coefficient de dilatation apparente d’un liquide . . . . . . . . 24
2.9 Dilatation de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.10 Dilatation des gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.11 Dilatation à pression constante . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.12 Dilatation à volume constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Quantité de chaleur 29
3.1 La quantité de chaleur : grandeur mesurable . . . . . . . . . . 29
3.2 Unités de quantités de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Equivalence travail - chaleur ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Principes fondamentaux de la calorimétrie . . . . . . . . . . . 31
3.5 Chaleur massique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6 Chaleur massique des solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.7 Influence de la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.8 Chaleur massique des liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.9 Chaleur massique d’un gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.10 Gaz parfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.11 Gaz rééls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.12 Chaleur latente de changement d’état . . . . . . . . . . . . . . 36
3.13 Capacité calorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 Notions générales sur la thermodynamique 38
4.1 Rappel chronologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2 Principes de la thermodynamique classique : . . . . . . . . . . 39
4.3 Définitions : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 Propriétés des parois d’un système . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5 Variables thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.6 Variables indépendantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.7 Etat d’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.8 Transformations ou processus thermodynamiques . . . . . . . 41
4.9 Classification des transformations . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.10 Transformation ouverte réversible . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.11 Notion de pression : définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.12 Travail des forces de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.13 Calcul du travail élémentaire des forces de pression . . . . . . 45
4.14 Diagramme de Clapeyron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.15 Transformation isotherme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.16 Transformation isobare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.17 Transformation isochore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.18 Transformation adiabatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5 Le premier principe de thermodynamique 52
5.1 Systèmes fermés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2 Principe de l’état initial et de l’état final . . . . . . . . . . . . 54
5.3 Energie interne : définition ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.4 Applications du premier principe . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.5 Fonction enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6 Propriétés énergétiques de gaz parfaits 58
6.1 Lois fondamentales des gaz parfaits . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.2 Lois de Gay-Lussac et Charles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3 Equation des gaz parfaits ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.4 Volume molaire normal d’un gaz parfait . . . . . . . . . . . . 61
6.5 Densité d’un gaz par rapport à un autre . . . . . . . . . . . . 61
6.6 Expérience caractérisant les gaz parfaits . . . . . . . . . . . . 62
6.7 Expression de la variation d’énergie interne pour une transformation quelconque . . . . 63
6.8 Expression de la variation d’enthalpie pour une transformation quelconque . . . .. 63
6.9 Relation de Robert Mayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.10 Bilan des grandeurs énergétiques pour les différentes transformations... 65
6.11 Travail échangé au cours d’une transformation adiabatique . . 68
6.12 Transformations polytropiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.13 Calcul de la quantité de chaleur échangée dans le cas d’une transformation polytropique . . 69
6.14 Mélange de gaz parfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.15 Equation d’état d’un mélange de gaz parfaits . . . . . . . . . 71
7 Le second principe 73
7.1 Enoncés du second principe ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2 Cycle monotherme réversible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.3 Cycle monotherme irréversible . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.4 Cycle ditherme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.5 Bilan des échanges de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.6 Classification des machines thermiques . . . . . . . . . . . . . 78
7.7 Expression des rendements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.8 Théorème de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.9 Inégalité de Clausius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.10 Expression mathématique du deuxième principe . . . . . . . . 85
7.11 Expression mathématique du deuxième principe : conclusion . 88
7.12 Diagramme entropique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.13 Exemples de calcul de la variation d’entropie . . . . . . . . . . 90
7.14 Calcul de la variation d’entropie d’un système avec source . . 92
7.15 Entropie d’un gaz parfait en fonction des variables (T, V ) . . . 94
7.16 Entropie d’un gaz parfait en fonction des variables (P, T) , (P, V ) . . . . . . 95
7.17 Calcul de la variation d’entropie totale appliquée au cycle de Carnot .. . . 96
8 Propriétés des corps purs 99
8.1 Surface d’état : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.2 Pression de vapeur saturante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.3 Caractéristiques du point critique . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.4 Approximation algébrique de la pression de vapeur saturante
en fonction de la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.5 Chaleur latente de vaporisation : LV . . . . . . . . . . . . . . 102
8.6 Formule de Rankine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.7 Retards à la vaporisation et à la liquéfaction . . . . . . . . . . 106
8.8 Définition de l’état d’un mélange . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.9 Chauffage à volume constant : tubes de Natterer . . . . . . . . 108
8.10 Entropie d’une vapeur saturée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.11 Détente adiabatique d’une vapeur saturée ou surchauffée . . . 109
