Le second principe de la thermodynamique

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1 Le second principe de la thermodynamique

2 1. Nécessité du second principe de la thermodynamique.

3 Premier principe : DU = W + Q

4 Premier principe : DU = W + Q
Principe de conservation de l’énergie .

5 Premier principe : DU = W + Q
Principe de conservation de l’énergie . Ne fixe pas le sens des échanges d’énergie.

6 Température finale : TF = 30 °C
Mélange de 100 g d’eau à 10 °C et de 100 g d’eau à 50 °C dans un calorimètre. Température finale : TF = 30 °C Q1 = m1.c.DT1 = 0,1*4185*(30-10) = J Q2 = m2.c.DT2 = 0,1*4185*(30-50) = J DU = Q1 +Q2 = 0

7 On peut imaginer que les 100 g d’eau à 10 °C passent à 0 °C et les 100 g à 50 °C passent à 60 °C.
Q1 = m1.c.DT1 = 0,1*4185*(0-10) = J Q2 = m2.c.DT2 = 0,1*4185*(60-50) = J DU = Q1 +Q2 = 0

8 Les deux hypothèses vérifient le premier principe.

9 Il faut donc compléter le premier principe pour pouvoir rendre compte du sens des transformations (fixer le sens de la « flèche du temps »).

10 2. Le second principe de la thermodynamique et la fonction entropie.

11 2.1. Énoncé. À tout système fermé est associée la fonction d’état entropie S dont les variations sont données par :

12 Fonction définie par Clausius (1865).
Je préfère emprunter aux langues anciennes les noms des quantités scientifiques importantes, afin qu'ils puissent rester les mêmes dans toutes les langues vivantes; je proposerai donc d'appeler la quantité S l'entropie du corps, d'après le mot grec η τροπη une transformation. C'est à dessein que j'ai formé ce mot entropie, de manière qu'il se rapproche autant que possible du mot énergie; car ces deux quantités ont une telle analogie dans leur signification physique qu'une analogie de dénomination m'a paru utile.

13 dQ : chaleur reçue par le système.
Te : température de la source de chaleur. diS, DiS : termes positifs ou nuls.

14 2.2. Commentaires et propriétés.

15

16 Joule

17 kelvin

18 L’entropie est en joules par kelvin (J.K-1).

19 Cas d’un système isolé :
dQ = 0 : pas de chaleur reçue de l’extérieur. dS = diS

20 Cas d’un système isolé :
dQ = 0 : pas de chaleur reçue de l’extérieur. dS = diS diS est positive

21 Cas d’un système isolé :
dQ = 0 : pas de chaleur reçue de l’extérieur. dS = diS diS est positive

22 L’entropie d’un système isolé ne peut qu’augmenter.
Cas d’un système isolé : dQ = 0 : pas de chaleur reçue de l’extérieur. dS = diS diS est positive L’entropie d’un système isolé ne peut qu’augmenter.

23 Pour l’Univers : L’entropie de l’Univers ne peut qu’augmenter.

24 Prévision des évolutions d’un système :
Les seules transformations possibles sont celles qui font augmenter l’entropie de l’Univers.

25 Prévision des évolutions d’un système :
Les seules transformations possibles sont celles qui font augmenter l’entropie de l’Univers. Un système cesse d’évoluer (équilibre) quand l’entropie de l’Univers n’augmente plus : dS = 0

26 Transformation réversible :
Une transformation réversible est une transformation infiniment lente renversable à chaque instant. On a alors : diS = 0 Donc :

27 On sait donc calculer la variation d’entropie dans le cas d’une transformation réversible.

28 S est une fonction d’état.
S est extensive : DSA+B = DSA + DSB

29 2.3. Signification physique de l’entropie.

30 Entropie = mesure du désordre

31 Entropie = mesure du désordre
Une transformation quelconque ne peut qu’augmenter le désordre de l’Univers.

32 2.4. Principe de détermination de l’entropie. Identité thermodynamique.

33 Comment calculer DS ? Etat initial (Pi,Vi,Ti) Etat final (Pf,Vf,Tf)

34 Nous ne savons pas calculer ce terme !
Comment calculer DS ? Etat initial (Pi,Vi,Ti) Nous ne savons pas calculer ce terme ! Etat final (Pf,Vf,Tf)

35 Mais S est une fonction d’état !

36 Comment calculer DS ? Etat initial (Pi,Vi,Ti) Transformation réversible fictive Etat final (Pf,Vf,Tf)

37 Utilisation de l’identité thermodynamique.

38 3. Exemple d’utilisation de l’entropie : étude du contact thermique entre deux corps.

39 3.1. Position du problème. Corps A Corps B Enceinte isolante

40 Corps A : masse m, capacité thermique c, température initiale TA.
Corps B : masse m, capacité thermique c, température initiale TB.

41 3.2. Sens de l’évolution.

42 3.3. Variation d’entropie.