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 : la description microscopique des entités qui le composent, comment définir un tel état, quelles sont les différents types de systèmes, quelles sont les grandeurs pertinentes à étudier ou encore est-il à l'équilibre.Capacité exigibles
- Décrire un atome.
- Définir une transformation nucléaire/chimique.
- Construire un tableau d'avancement, identifier un réactif limitant.
- Définir un système thermodynamique.
- Définir les termes de variable d'état, grandeur extensive/intensive.
- Définir un équilibre thermodynamique et appliquer les conditions des différents types d'équilibre.
- 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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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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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 reviendront sur l'étude des réactions chimiques, cette fois-ci par le prisme du premier principe. Pour ce faire, il nous faudra dans un premier temps adapter le premier principe de la thermodynamique et définir une nouvelle fonction d'état: l'enthalpie. Cette nouvelle fonction nous permettra, entre autres, de déterminer l'énergie thermique dégagée par une réaction de combustion.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.
Bilans sur les transformations physico-chimiques
- Equilibrer une réaction chimique et construire un tableau d'avancement.
- Définir le pouvoir calorifique d'un combustible.
- Utiliser le pouvoir calorifique adapté (inférieur ou supérieur) d'un combustible pour déterminer le transfert thermique reçu par un système réactionnel lors d'une transformation isobare et isotherme.
- Déterminer la masse de CO$_2$ produite lors du dégagement d'une énergie donnée par combustion complète d'un hydrocarbure, les données nécessaires étant fournies.
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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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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
Pour aller plus loin
Autour de l'entropie
Article sur la notion d'entropie et son lien avec la crise énergétique.
Vidéo de passe-science sur la notion d'entropie
Vidéo de sixty symbols (anglophone) sur la confusion entre entropie et désordre
Conséquence du second principe
Vidéo d'e-penser sur la fleche du temps
Vidéo sur l'entropie en théorie de l'information (anglophone)
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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Sujet de TD
Pour aller plus loin
Un peu d'histoire
Petit historique de Monsieur Bidouille du développement des locomotives à vapeur.
Quelques machines particulières
C'est Pas Sorcier sur les centrales nucléaires
Vidéo d'Astronogeek sur le moteur de la Saturn V
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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