T0 - Introduction à la thermodynamique
Résumé
La thermodynamique est l'étude des transformations impliquant des échanges d'énergie sous forme de chaleur (ou énergie thermique). Il s'agit d'une branche de la physique qui connût un véritable essor lors de la révolution industrielle et donnât naissance à toute sorte d'innovations telles que le moteur thermique ou encore le réfrigérateur. Au cours de cette introduction, nous définirons quelques notions indispensables à la description de l'état d'un système thermodynamique : comment le définir, quelles sont les différents types de systèmes, quelles sont les grandeurs pertinentes à étudier ou encore est-il à l'équilibre.Capacité exigibles
- Savoir définir un système thermodynamique.
- Savoir définir les termes de variable d'état, grandeur extensive/intensive.
- Savoir définir un équilibre thermodynamique et appliquer les conditions des différents types d'équilibre.
- Savoir définir une équation d'état. Connaître et savoir appliquer celle des gaz parfait.
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T1 - Formes d'énergie
Résumé
La thermodynamique est l'étude des transformations impliquant des échanges d'énergie sous forme de chaleur (ou énergie thermique). Il s'agit d'une branche de la physique qui connût un véritable essors lors de la révolution industrielle et donnât naissance à toute sorte d'innovations telles que le moteur thermique ou encore le réfrigérateur. Au cours de cette introduction, nous définirons quelques notions indispensables à la description de l'état d'un système thermodynamique: comment le définir, quelles sont les différents types de systèmes, quelles sont les grandeurs pertinentes à étudier ou encore est-il à l'équilibre.Capacité exigibles
- Savoir citer différentes formes d'énergie et les paramètres les caractérisant.
- Savoir définir l'énergie interne et la capacité thermique à volume constant d'un système.
- Connaître l'expression de la capacité thermique à volume constant d'un GP mono- ou diatomique.
- Savoir utiliser le fait que l'énergie interne d'un GP et d'une PCII ne dépend que de la température.
- Savoir définir ce qu'est un thermostat, un pressostat et en citer des exemples naturels et artificiels.
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QCM d'entrainement
Sujet de TD
Pour aller plus loin
Autour du mix énergétique
Série de vidéos du Réveilleur sur les différents types de conversion d'énergie en électricité
Vidéo de Monsieur Bidouille sur l'énergie consommée en France
Dossier Futura-science sur les différentes formes d'énergie
T2 - Transferts énergétiques, premier principe de la thermodynamique
Résumé
La thermodynamique des systèmes à l'équilibre s'intéresse au passage d'un système thermodynamique d'un état d'équilibre vers un autre. Nous verrons dans chapitre plusieurs types de transformations et étudierons l'effet de ces transformations sur l'énergie du système étudié. Il s'agira ainsi d'étudier les transferts énergétiques entre un système thermodynamique et l'extérieur puisque, comme nous le verrons à la fin du chapitre avec le premier principe de la thermodynamique, l'énergie totale se conserve toujours.Capacité exigibles
- Savoir appliquer la méthode d'étude d'une transformation thermodynamique: appliquer les conditions d'équilibre et relever les contraintes liées à une transformation.
- Savoir définir le travail des forces de pression extérieure. Savoir le calculer pour le cas de transformations simples (isochore, isobare, monobare).
- Connaître et savoir utiliser l'interprétation géométrique du travail des forces de pression.
- Savoir tracer l'évolution d'un système thermodynamique sur un diagramme de Clapeyron.
- Connaître les trois modes de transfert thermique.
- Connaître et savoir appliquer le premier principe de la thermodynamique.
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QCM d'entrainement
Sujet de TD
Pour aller plus loin
L'apport de James Prescott Joule
Vidéo sur la vie et les expériences de Joule menant au premier principe
L'apport d'Emmy Noether
Vidéo d'e-penser sur Emmy Noether et son théorème
Article de "Pour la Science" sur Emmy Noether
T3 - Bilans enthalpiques
Résumé
Nous venons de voir le premier principe de la thermodynamique et l'avons appliqué à des transformations strictement physiques. Pourtant, ce premier principe est beaucoup plus général que les quelques applications que nous avons pu étudier. En particulier, il peut s'appliquer à toutes les transformations chimiques, qui sont également le siège d'échanges d'énergie. Dans ce chapitre, nous étudierons pour la première fois de l'année des réactions chimiques, par le prisme du premier principe. Pour se faire, il nous faudra dans un premier temps adapter la premier principe de la thermodynamique et définir une nouvelle fonction d'état: l'enthalpie. Nous verrons alors que cette fonction d'état s'avère très utile, et pas uniquement pour l'étude des réactions chimiques.Capacité exigibles
La fonction d'état enthalpie
- Connaitre la définition et la signification physique de l'enthalpie.
- Connaitre la définition de la capacité thermique à pression constante.
- Connaitre et savoir appliquer le premier principe pour une transformation isobare ou monobare avec équilibre aux états initial et final.
- Savoir calculer directement un transfert thermique si la transformation est isochore, isobare, ou monobare avec équilibre aux états initial et final.
- Savoir déterminer l'enthalpie d'un gaz parfait ou d'une PCII.
- Connaitre la seconde loi de Joule et la relation de Mayer ainsi que les capacités thermiques à pression constante des GP monoatomique et diatomique.
- Savoir expliquer ce qu'est la détente de Joule-Thomson et quel est son intérêt.
Enthalpie standard de réaction
- Savoir équilibrer une réaction et construire un tableau d'avancement.
- Savoir ce qu'est un état standard/ un état standard de référence.
- Savoir calculer une enthalpie standard de réaction via la loi de Hess pour une transformation isotherme.
- Connaitre l'approximation d'Ellingham.
- Savoir faire le bilan d'enthalpie d'une réaction chimique non isotherme et en déduire le transfert thermique reçu.
- Savoir calculer la température de flamme d'une réaction effectuée dans un réacteur adiabatique.
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Pour aller plus loin
Réactions chimiques endo et exothermique
Vidéo montrant une réaction de chaque type
Vidéo expliquant pourquoi une réaction peut être endothermique ou exothermique
T4 - Changements d'états
Résumé
Après les réactions chimiques, voyons maintenant les changements d'états. Après quelques rappels sur chacun des trois états principaux (solide, liquide, gaz), nous allons étudier, à l'aide de diagrammes thermodynamiques les transitions entre deux états différents. Nous verrons alors que comme pour les réactions chimiques, il est possible de définir une enthalpie de transformation (ici, de changment d'état).Capacité exigibles
- Connaître le vocabulaire des changements d'états de la matière.
- Savoir construire un diagramme de phase (P,T). Connaître celui de l'eau.
- Savoir calculer un titre massique/molaire.
- Savoir décrire un changement d'état à l'aide d'un diagramme de Clapeyron.
- Savoir utiliser la loi de moments.
- Savoir définir une enthalpie de changement d'état.
- Connaître l'ordre de grandeur des enthalpies de changement d'état et savoir les comparer avec les variations d'enthalpie d'un système monophasé.
- Savoir faire un bilan d'enthalpie lors d'une transformation thermodynamique comprenant un changement d'état.
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Sujet de TD
Pour aller plus loin
Autour de points particuliers du diagramme de phase
Expérience sur le point critique, dans le cas du SF6
Expérience sur le point triple (anglophone), dans le cas du cyclohexane
Changements d'état au quotidien
Vidéo expliquant la formation des bulles de champagne
Vidéo expliquant la formation des nuages
T5 - Second principe de la thermodynamique
Résumé
Le premier principe nous a permis d'établir une condition indispensable à la faisabilité d'une transformation: l'énergie doit se conserver. A ce bilan comptable de l'énergie, nous ajouterons dans chapitre une deuxième condition. Nous verrons en effet que le second principe impose un sens à certaines transformations thermodynamiques. Il nous faudra pour cela définir une nouvelle fonction d'état: l'entropie.Capacité exigibles
- Savoir identifier les causes d'irréversibilité et dire si une transformation donnée est réversible ou non.
- Savoir énoncer et utiliser le deuxième principe de la thermodynamique.
- Savoir commenter la différence l'inégalité du deuxième principe et l'égalité du premier.
- Savoir définir une transformation isentropique.
- Savoir énoncer les conditions d'application des lois de Laplace et les utiliser.
- Connaitre le lien entre enthalpie et entropie de changement d'état.
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Sujet de TD