Thermodynamique Renseignements pratiques (2000-2001): Lundi 8h00-10h00, C 001 (manoir) www.scf.fundp.ac.be/~jpvigner/ichec/ jean-pol.vigneron@scf.fundp.ac.be 081/724711 Laboratoire de physique du solide, Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix, 61 rue de Bruxelles, 5000 Namur

Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe Fonctions d’états

Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe Énergie et transformations d’énergie Système et milieu extérieur État et variables thermodynamiques Transformation réversible et irréversible Température Premier principe Second principe Fonctions d’états

Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe États de la matière Principe zéro de la thermodynamique Le gaz parfait et l’échelle des températures absolues Premier principe Second principe Fonctions d’états

Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe Échange d’énergie : chaleur et travail Conservation de l’énergie interne Transformations du gaz parfait Second principe Fonctions d’états

Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe Réversibilité et irréversibilité Rendement maximum des machines thermiques Entropie Théorème de croissance de l ’entropie Ordre et désordre Fonctions d’états

Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe Fonctions d’états Énergie interne et enthalpie Entropie Énergie libre de Helmholtz Énergie libre de Gibbs

Définitions Travail d’une force sur un trajet imposé

Définitions Énergie Capacité de produire un travail Capacité plus grande de produire un travail altitude Énergie POTENTIELLE Capacité plus faible de produire un travail sol

Définitions Énergie Capacité de produire un travail Poussée Énergie CINETIQUE

Energie mécanique totale = W+U

Formes spécifiques d’énergie potentielle Énergie gravifique (force de gravitation) Énergie électrique (force de Coulomb) Énergie magnétique (force champ-dipôle) Énergie chimique (forces interatomiques, d’origine électrique) Énergie nucléaire (forces faible, électrostatique) ...

Energie thermique Energie d’agitation thermique au niveau moléculaire

Système et milieu extérieur ouvert fermé isolé milieu extérieur matière Système + chaleur - travail

États d’un système États microscopiques d’un système État (coordonnées, vitesses…) des molécules qui le composent États macroscopiques d’un système État du système décrit (un petit nombre) des propriétés moyennes : variables thermodynamiques (P,T,V,r,…) Équations d ’état PV=nRT (gaz parfait) ensemble complet de variables

La température Notion d’équilibre thermique Principe zéro de la thermodynamique Concept de température Le thermomètre à gaz parfait Échelle absolue des températures

Équilibre thermique A B A B Flux d’énergie ? OUI NON Système A-B hors d’équilibre Système A-B en équilibre A et B ont atteint l’équilibre thermique

A « est en équilibre thermique avec » B A ~ B A « est en équilibre thermique avec » B Relation d’« équivalence » A ~ A Si A ~ B, alors B ~ A Si A ~ B et B ~ C, alors A ~ C PRINCIPE ZERO DE LA THERMODYNAMIQUE PARTITION DE L’ENSEMBLE A, B, C...

Organisation de classes M B G F E J H N K I

Numérotation des classes pour la relation d ’équilibre thermique Corps de l’univers en équilibre Étiquette de classe : TEMPERATURE Température : caractéristique commune à un ensemble de corps qui sont tous en équilibre thermique

Retenir... Température : « Etiquette » qui caractérise les corps qui sont en équilibre thermique les uns avec les autres A « est en équilibre thermique avec » B A et B ont la même température

Thermomètre Objet qui change d’aspect si l’on modifie sa température Étalonnage Utilisation Doit changer de T sans (quasiment) absorber de chaleur

Recherche d ’un thermomètre idéal Solide ou liquide : molécules contenant de l’énergie cinétique (mouvement) et potentielle (forces entre atomes) Gaz : molécules contenant essentiellement de l ’énergie cinétique

Energie cinétique moléculaire Si l’on pose c : vitesse quadratique moyenne

Masse des atomes et des molécules Unité de masse atomique Atome de carbone 12 : Z=6 (6 protons, 6 électrons) A=12 (12 nucléons)

Masse atomique, masse moléculaire

1 mole Quantité de matière dont la masse, exprimée en 10-3 kg, est numériquement égale à la masse moléculaire, exprimée en uma. Exemples :

Nombre de molécules dans une mole de CO2 Indépendant de la nature du gaz

Thermomètre à gaz parfait énergie purement cinétique Caractérisation de l’agitation thermique : Convention pour l’échelle des températures : k : constante précisant l’unité

Changements d’ « aspect » du gaz parfait avec la température Pression d’un gaz parfait sur les parois d’un récipient Énergie uniquement cinétique: pas de force d’interaction Temps de collisions négligeable Collisions uniformisent la distribution des énergies n moles volume V=lxlylz

Calcul de la pression Force résultant d’une collision moléculaire sur la paroi frappée Force sur la molécule Force sur la paroi lzly

Calcul de la pression (2)

Mesure de la température via la pression du gaz parfait

Unité sur l’échelle de température défini Posons : On obtient l’échelle de température absolue, ou échelle Kelvin

Repère expérimental Point triple Eau Gaz Parfait même pression même température

Diagramme d’état de l’eau

Conditions normales

Autres échelles de température Ne pas utiliser en physique!