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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Questions de cours

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Pour aller plus loin

Autour du mix énergétique

Série de vidéos du Réveilleur sur les différents types de conversion d'énergie en électricité

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Vidéo de Monsieur Bidouille sur l'énergie consommée en France

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Dossier Futura-science sur les différentes formes d'énergie

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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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Pour aller plus loin

L'apport de James Prescott Joule

Vidéo sur la vie et les expériences de Joule menant au premier principe

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L'apport d'Emmy Noether

Vidéo d'e-penser sur Emmy Noether et son théorème

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Article de "Pour la Science" sur Emmy Noether

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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

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Vidéo expliquant pourquoi une réaction peut être endothermique ou exothermique

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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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Pour aller plus loin

Autour de points particuliers du diagramme de phase

Expérience sur le point critique, dans le cas du SF6

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Expérience sur le point triple (anglophone), dans le cas du cyclohexane

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Changements d'état au quotidien

Vidéo expliquant la formation des bulles de champagne

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Vidéo expliquant la formation des nuages

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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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Pour aller plus loin

Autour de l'entropie

Article sur la notion d'entropie et son lien avec la crise énergétique.

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Vidéo de passe-science sur la notion d'entropie

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Vidéo de sixty symbols (anglophone) sur la confusion entre entropie et désordre

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Conséquence du second principe

Vidéo d'e-penser sur la fleche du temps

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Vidéo sur l'entropie en théorie de l'information (anglophone)

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T6 - Machines thermiques

Résumé

Dans ce chapitre, nous allons réunir tout ce qui a été vu jusqu'à présent dans le but d'étudier des machines thermiques. Nous nous restreindrons aux machines cycliques comme des moteurs ou des réfrigérateurs. Nous définirons certaines quantités traduisant les performances de la machine, comme le rendement, le coefficient de performance ou la puissance de la machine.

Capacité exigibles

  • Savoir dessiner le schéma synoptique d'une machine thermique et prévoir les signes des transferts d'énergie.
  • Savoir démontrer et utiliser l'inégalité de Clausius.
  • Définir le rendement d'un moteur et le coefficient de performance (CoP) d'une machine frigorifique/pompe à chaleur.
  • Calculer les transferts thermiques, les travaux et en déduire le coefficient de performance (CoP) ou le rendement.
  • Majorer le rendement ou le coefficient de performance des machines dithermes cycliques à l'aide du théorème de Carnot.
  • Savoir démontrer le théorème de Carnot pour le différents types de machines dithermes.
  • Distinguer la puissance et l'énergie fournie/consommée par une machines thermiques.
  • Décrire le cycle de Carnot d'un moteur/récepteur et le tracer dans un diagramme (T,s) ou (P,V).
  • Décrire succinctement le fonctionnement d'un moteur 4 temps.
  • Lier la puissance au nombre de tours par minute.
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Pour aller plus loin

Un peu d'histoire

Petit historique de Monsieur Bidouille du développement des locomotives à vapeur.

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Quelques machines particulières

C'est Pas Sorcier sur les centrales nucléaires

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Vidéo d'Astronogeek sur le moteur de la Saturn V

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T7 - Thermodynamique industrielle

Résumé

Jusqu'ici, nous avons dû travailler avec des systèmes fermés. En effet, la plupart des lois que nous avons énoncées (le 1er et 2nd principes par exemple) n'étaient valables qu'à cette condition. Pourtant, les machines industrielles fonctionnent souvent de manière continue avec des fluides s'écoulant à débit constant. Ainsi, il apparaît nécessaire d'établir des lois valables en système ouvert. La première partie de ce chapitre consistera donc en la réécriture du premier principe de manière à le rendre valable en système ouvert. Nous verrons ensuite, comment utiliser différents diagrammes permettant de s'affranchir de certains calculs de grandeurs thermodynamiques.

Capacité exigibles

  • Définir un système ouvert en écoulement stationnaire.
  • Utiliser des grandeurs massiques ; définir le travail indiqué massique sur les parties mobiles.
  • Décrire les différents organes des machines (détendeur, compresseur, turbine, condenseur, évaporateur, chambre de combustion, etc.).
  • Appliquer le premier principe en système ouvert.
  • Exploiter les différents diagrammes utilisés en thermodynamique pour en extraire, une variation d'enthalpie, d'entropie, un rendement, une enthalpie/entropie de changement d'état, etc...
  • Calculer les transferts thermiques massiques, les travaux indiqués massiques et le coefficient de performance (CoP).
  • Utiliser le débit massique pour évaluer des puissances.
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Pour aller plus loin

T8 - Conduction thermique

Résumé

Jusqu'à présent nous n'avons étudié les transferts thermiques qu'entre deux états d'équilibre thermodynamiques, au cours de transformations données. Le premier principe était alors un moyen de calculer ces transferts thermiques. Le second principe, quant à lui, nous avait donné le sens spontané des transferts thermiques: du chaud vers le froid. Il s'agissait alors uniquement de caractériser un état final compte-tenu d'un état initial et d'un type de transformation donnés. Toutefois, nous ne nous sommes jamais préoccupé de décrire les évènements dans leur dimension temporelle. En particulier, nous n'avons jamais (ou presque) calculé le temps nécessaire pour passer de l'état initial à l'état final. C'est ce que nous allons faire ici via l'établissement de la loi de la diffusion thermique (ou équation de la chaleur).

Capacité exigibles

  • Définir et algébriser la puissance échangée à travers une surface.
  • Relier la non-uniformité de la température à l'existence d'un flux thermique via la loi de Fourier.
  • Citer des ordres de grandeurs de la conductivité thermique.
  • Définir la résistance thermique.
  • Exploiter l'analogie électrique d'un bilan thermique.
  • Exploiter la loi de Newton pour prendre en compte les échanges conducto-convectifs en régime stationnaire.
  • Etablir l'équation de la diffusion thermique dans le cas unidimensionnel.
  • Interpréter qualitativement l'irréversibilité du phénomène.
  • Relier le temps et la longueur caractéristiques d'un phénomène de diffusion.
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Pour aller plus loin

Températures de contact et températures ressenties

Vidéo de Véritasium (anglophone) sur la différence entre chaleur et température

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Article de Science Etonnante sur la notion d'effusivité

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Vidéo de Science Etonnante sur la température ressentie

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Températures de contact et températures ressenties

Cours d'introduction à la notion de rayonnement thermique

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