1 Plan du cours Introduction Notions de mécanique : force, énergie, travail, puissance… Température et chaleur Systèmes, transformations et échanges thermodynamiques.

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1 1 Plan du cours Introduction Notions de mécanique : force, énergie, travail, puissance… Température et chaleur Systèmes, transformations et échanges thermodynamiques Premier principe de la thermodynamique Second principe de la thermodynamique Brève introduction aux probabilités et à la statistique Notions élémentaires de mécanique statistique Théorie de l’information Placez le curseur sur l’illustration dont vous désirez connaître l’origine.

2 2 Systèmes La thermodynamique distingue : le système, qui regroupe l’ensemble des corps étudiés et qui est décrit par des variables d’état, le milieu extérieur, le reste de l’univers. Le système est dit à l’équilibre lorsque ses variables d’état ne subissent aucune variation ; dans le cas contraire, il subit une transformation. Toute transformation fait passer le système d’un état d’équilibre à un autre état d’équilibre. Au cours d’une transformation, le système peut échanger de la chaleur, du travail ou de la matière avec le milieu extérieur.

3 3 Systèmes Selon le type d’échanges considérés, on classe les systèmes en : système ouvert : il y a possibilité d’échange de chaleur, de travail et de matière avec le milieu extérieur. système fermé : il n’y a pas d’échange de matière. si de plus il n’y a pas d’échange de travail, on parle de système mécaniquement isolé. s’il n’y a pas d’échange de chaleur, il s’agit d’un système thermiquement isolé. système isolé : aucun échange n’est permis avec l’extérieur.

4 4 Convention de signe Les quantités de chaleur, travail ou matière apportées au système sont comptées positivement. Les quantités de chaleur, travail ou matière perdues par le système sont comptées négativement.

5 5 Transformations Transformation ouverte : au cours de cette transformation, le système évolue d’un état d’équilibre vers un état d’équilibre différent. Transformation fermée ou cycle : l’état final est identique à l’état initial.

6 6 Travail Le seul travail considéré est celui exercé sur le système par le milieu extérieur. Pour la thermodynamique, il s’agit d’une forme de transfert d’énergie où la température n’entre pas directement en jeu. Pour la mécanique statistique, il s’agit d’un transfert ordonné d’énergie, qui résulte en un mouvement cohérent des atomes du système.

7 7 Travail : exemple (1) Considérons une enceinte dont le volume diminue sous l’action d’une force extérieure. v0v0 F v1v1 dv dl +

8 8 Travail : exemple (1) La force est égale au produit de la pression et de l’aire de la surface à laquelle elle s’applique : Le travail est donné par : On vérifie que les signes correspondent à la définition du travail et à la convention concernant les échanges.

9 9 Travail : exemple (2) Considérons une enceinte dont le volume s’accroît, contrarié par l’action d’une force extérieure. v0v0 p ext v1v1 dl dv +

10 10 Travail : exemple (2) La force est égale au produit de la pression et de l’aire de la surface à laquelle elle s’applique : Le travail est donné par : On vérifie que les signes correspondent à la définition du travail et à la convention concernant les échanges.

11 11 Travail Quel que soit le sens de la variation de volume, le travail élémentaire est donné par : Si la pression extérieure est constante, on trouve Sinon il convient d’intégrer

12 12 Chaleur Pour la thermodynamique, il s’agit généralement d’une forme de transfert d’énergie liée à une différence de température. Pour la mécanique statistique, il s’agit d’un transfert désordonné d’énergie, qui ne produit aucun mouvement cohérent des atomes du système.

13 13 Travail et chaleur Travail et chaleur sont des grandeurs associées à une transformation : leur valeur varie selon le chemin suivi pour aller de l’états initial à l’état final. Ce ne sont pas des fonctions d’état, ni même des variations de fonctions d’état.

14 14 Transformations réversibles Transformations irréversibles Une transformation réversible est une transformation idéale susceptible d’un traitement mathématique complet. Les transformations réelles sont irréversibles.

15 15 Transformations réversibles Une transformation réversible résulte d’une cause infinitésimale et se déroule à vitesse nulle en passant par une succession d’états d’équilibre ; démarre en sens inverse si la cause change de sens, tout en restant infinitésimale ; ne modifie pas le milieu extérieur si elle est cyclique.

16 16 Transformations irréversibles Une transformation irréversible résulte d’une cause finie et se déroule à vitesse finie, seuls les états initial et final sont des états d’équilibre ; elle possède une direction définie, un changement infinitésimal de la cause n’en renverse pas le sens ; amène des modifications au milieu extérieur, même si elle est cyclique.