Thermodynamique Première loi. Une théorie est d’autant plus impressionnante que les principes sur lesquels elle repose sont simples, qu’elle relie toutes.

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1 Thermodynamique Première loi

2 Une théorie est d’autant plus impressionnante que les principes sur lesquels elle repose sont simples, qu’elle relie toutes sortes de choses différentes et que son champ d’application est vaste. Par conséquent, la thermodynamique classique m’a fait une très grande impression. C’est la seule théorie physique à caractère universel dont je suis convaincu, compte tenu de l’application de ses concepts de base, qu’elle ne sera jamais contestée. A. Einstein, dans `Philosopher-Scientist’, P. A. Schlipp, ed., Open-Court publ., LaSalle, IL. (1973)

3 Thermodynamique classique vs. thermodynamique statistique Thermodynamique classique: – Macroscopique –Générale –Indépendant des modèles moléculaires Thermodynamique statistique: –Relation entre propriétés moléculaires et propriétés macroscopiques –Dépend des modèles moléculaires

4 Thermodynamique classique: les 3 lois 1ère loi: Conservation de l’énergie 2e loi: Direction naturelle des transformations (changements d’états)=tendance au désordre maximal 3e loi: État à la température zéro absolue

5 Concepts de base Système+environnement=univers Système ouvert Système fermé Système isolé

6 Concepts de base Système+environnement=univers Système diathermique Système adiabatique

7 Concepts de base État thermodynamique: –Spécifié par variables d’état: T, P, V, n (n=composition)

8 Variables thermodynamiques et unités T en K P en Pa (SI) ou en bar ou en atm ou en Torr 1 atm=101325 Pa, 1 bar= 10 5 Pa, 1 Torr=1/760 atm V en m 3 (SI) ou en l 1 l =1 dm 3 =10 -3 m 3 n en mol/m 3 ou mol/l Énergie: en J ou kJ/mol ou kcal/mol ou l.atm ou eV … R = N A k B en J.K -1.mol -1 ou l.atm.K -1.mol -1 R=8,31451 J.K -1.mol -1 =8,20578x10 -2 l.atm.K -1.mol -1

9 Concepts de base État thermodynamique: –Spécifié par variables d’état: T, P, V, n (n=composition) –Équation d’état =équation constitutive du système=relation entre T,P,V,n (ex: PV=nRT)

10 Équations d’état d’un gaz gaz parfait gaz de van der Waals

11 Équations d’état d’un gaz gaz parfait gaz de van der Waals Paramètres de VdW

12 Coefficients de Van der Waals

13 Gaz parfait vs. gaz de VdW

14 Gaz réel vs. gaz de VdW équilibre de phases liq-vap.

15 Gaz réel vs. gaz de VdW équilibre de phases liq-vap. construction de Maxwell

16 Concepts de base État thermodynamique: –Spécifié par variables d’état: T, P, V, n (n=composition) –Équation d’état =équation constitutive du système=relation entre T,P,V,n (ex: PV=nRT) –Fonction d’état: Propriété du système ne dépendant que de son état actuel, pas de son histoire.

17 Concepts de base Fonctions d’état vs. fonctions de passage: –Fonction d’état: Ex: E(T,V,n), P, V, n, H(P,T,n), S(T,V,n) Fonction d’état extensive: dépend de n Fonction d’état intensive: indépendant de n –Fonction de passage: dépend de l’histoire, du déroulement d’un processus (du chemin suivi) Ex: W (travail), q (chaleur)

18 Concepts de base Processus: chemin suivi dans une transformation –Cyclique: état final=état initial –Isotherme: T = constante –Isobare: P = constante –Isochore: V= constante –Adiabatique: q=0

19 Première loi Conservation d’énergie (généralisée):

20 Première loi Conservation d’énergie (généralisée):

21 Première loi Conservation d’énergie (généralisée): travail

22 Première loi Conservation d’énergie (généralisée): travailchaleur

23 Première loi Conservation d’énergie (généralisée): Pour un système isolé travailchaleur

24 Première loi Conservation d’énergie (généralisée): travailchaleur

25 Travail et chaleur chaleur q=énergie échangée via mouvements désordonnés

26 Travail et chaleur chaleur q=énergie échangée via mouvements désordonnés (déséquilibre de température)

27 Travail et chaleur chaleur q=énergie échangée via mouvements désordonnés (déséquilibre de température) travail w=énergie échangée via mouvements ordonnés

28 Travail et chaleur chaleur q=énergie échangée via mouvements désordonnés (déséquilibre de température) (déséquilibre de forces) travail w=énergie échangée via mouvements ordonnés

29 Travail de changement de volume

30 Travail effectué par le système (gaz) pour un déplacement dz du piston

31 Travail de changement de volume Travail effectué par le système (gaz) pour un déplacement dz du piston

32 Travail de changement de volume Travail effectué par le système (gaz) pour un déplacement dz du piston

33 Travail de changement de volume Travail effectué par le système (gaz) pour un déplacement dz du piston

34 Travail de changement de volume Travail effectué par le système (gaz) pour un déplacement dz du piston Pour une déplacement fini  z

35 Travail de changement de volume Exemple 1: P ex =0

36 Travail de changement de volume Exemple 2: P ex =constante

37 Travail de changement de volume Exemple 3: P ex =P à T=const pour un gaz parfait