Th Rmodynamique

Pages: 70 (5421 mots) Publié le: 23 mars 2015
Thermodynamique
Science dédiée à l’étude de tous les phénomènes faisant intervenir
la chaleur, le travail et l’énergie en général
La thermodynamique est bâtie sur 4 principes fondamentaux :
• Le principe zéro définit la notion de température
en se basant sur l’équilibre thermique (sans définir l’échelle de température).
• Le premier principe traduit la conservation de l’énergie.
Chaleur,travail, énergie interne, enthalpie…
• Le second principe explique l’évolution spontanée des transformation.
Certaines transformations compatibles avec le 1er principe ne se produisent pas.
→ introduction de la notion d’entropie.
• Le troisième principe précise la physique dans la limite T → 0.

Conversion de l’énergie

IUT1 Grenoble – Mesures Physiques

Le système type: le gaz parfait
Le modèle du gazparfait est issu de la théorie cinétique des gaz.
Il est basé sur trois hypothèses :
• La position et les vitesses sont
distribuées de façon aléatoire et
isotrope

v x 2  v y 2  vz 2 

.
1 2
v
3

• Aucune interaction entre molécules
hormis lors des collisions supposées
élastiques.
• Les molécules sont considérées
comme ponctuelles (volume négligeable)

Conversion de l’énergie

IUT1 Grenoble –Mesures Physiques

L’équation d’état des gaz parfaits

dS


Considérons les molécules se déplaçant à la vitesse v,
en densité volumique n v :

v

Pendant dt, d2N v molécules heurtent dS
d 2 N v  nvv x d t d S

v

La quantité de mouvement transférée par toutes les molécules :

vxdt

d 2 px 

Assemblée de molécules
de densité N/V
en mouvement isotrope

 d 2 Nv mv x
v

x

(collisions élastiques)

N
1N
vx 2 
mdSdt v 2
2V
3V
d2 px 1
N
dF 
 m v2
dS
dt
3
V

 2mdSdt  nvv x 2  2mdSdt


v

La force appliquée résultante vaut :
Or p 

  mv

dF
dS

NB : énergie cinétique

Conversion de l’énergie

donc p 

N
1
m v2
3
V

1
3
m v 2  kBT
2
2

ou

1
pV  N  m v 2 
3



d’où

IUT1 Grenoble – Mesures Physiques

Energie du gaz parfait
L’énergie interne du gaz, U, nedépend que de l’agitation des molécules.
Il s’agit donc d’énergie cinétique, d’origine thermique :
Chaque degré de liberté de mouvement ajoute à l’énergie interne

par molécule.

• Energie cinétique de translation (déplacements du centre de masse)
trois directions possibles (x, y, z) donc
Constante de Boltzmann
kB = 1,381. 10-23 J.K-1
• Energie cinétique de rotation (autour du centre de masse)
Nombrede rotations fonction de la géométrie de la molécule
Gaz monoatomique

Er  0

1
Gaz diatomique E r  2  kBT
2

Energie interne :
Conversion de l’énergie

IUT1 Grenoble – Mesures Physiques

Vocabulaire
Système : corps ou groupe de corps constituant un ensemble bien délimité dans l’espace
Exemple : une masse (ou un nombre de mole) de gaz dans une enceinte

T0

p0
Q

W

Extérieur : ce qui ne faitpas partie du système, avec qui celui-ci peut échanger de l’énergie
L’extérieur est souvent modélisé par une somme
de sources de chaleur (thermostats à température constante)
de sources de travail ( barostats à pression constante)
Le système peut être :

adiquabatie (absence d’échange de chaleur)
ouvert ou fermé (absence d’échange de matière)
isolé (absence d’échange d’énergie et de matière)Conversion de l’énergie

IUT1 Grenoble – Mesures Physiques

Vocabulaire
Equilibre du système : stabilité spatiale et temporelle de son état
• Equilibre thermique
• Equilibre mécanique
• Equilibre chimique
Etat du système : ensemble des paramètres nécessaires pour décrire
le système à équilibre
Exemple pour une masse de gaz : pression, température, volume (p,V,T)
Equation d’état : équation vérifiéepar tous les états d’équilibre du système
Pour un gaz quelconque : f(p,V,T) = 0
Pour un gaz parfait : pV = nRT
Transformation : évolution d’un système entre deux états équilibre
(pi,Vi,Ti)

(pf,Vf,Tf)

Energie interne du système, U :
somme des énergies microscopiques (cinétiques et potentielles)
des différents constituants du système
Conversion de l’énergie

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