Cours de thermodynamique Chapitre I M. BOUGUECHAL 2010-2011 1 CHAPITRE I : INTRODUCTION I.1 HISTORIQUE I.2 INTRODUCTION A LA THERMODYNAMIQUE I.3 NOTION DE TEMPERATURE I.4 NOTION DE CHALEUR I.5 VOCABULAIRE THERMODYNAMIQUE I.1 HISTORIQUE Hero (ou Heron) d'Alexandrie ( 10-70 après JC) était un mathématicien grec et un ingénieur, en Egypte romaine. Il est considéré comme le plus grand expérimentateur de l'antiquité. Parmi ses plus célèbres inventions, une machine à vapeur, appelée l’aéolipile, et un Windwheel, constituant l'un des premiers cas de l'exploitation du vent. Il a été un adepte de la théorie atomique de la matière. Denis Papin (physicien français, 1647-1714) met au point l’ancêtre des machines à vapeur (figure ci dessous : le piston à vapeur). L’essentiel était à l’époque de construire les machines indispensables à l’industrie naissante. On dit que Denis Papin eut l'idée de construire une machine utilisant la vapeur d'eau en regardant bouillir de l’eau dans une marmite. La vapeur soulevant le couvercle, elle pouvait donc aussi repousser un piston et ainsi fournir du travail. La motivation initiale était donc de répondre à un besoin industriel essentiel à l'époque : trouver les conditions optimales pour « transformer » la « chaleur » en « travail ». Dans cette phrase, on trouve les trois mots fondamentaux de la thermodynamique. La thermodynamique est une science qui naît à la fin du XVII ème siècle. Le mot « thermodynamique » vient du grec « thermos » et « dunamis » qui signifient respectivement chaleur et force.
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Cours de thermodynamique Chapitre I M. BOUGUECHAL 2010-2011
1
CHAPITRE I : INTRODUCTION
I.1 HISTORIQUE
I.2 INTRODUCTION A LA THERMODYNAMIQUE
I.3 NOTION DE TEMPERATURE
I.4 NOTION DE CHALEUR
I.5 VOCABULAIRE THERMODYNAMIQUE
I.1 HISTORIQUE
Hero (ou Heron) d'Alexandrie ( 10-70 après JC) était un
mathématicien grec et un ingénieur, en Egypte romaine. Il est considéré
comme le plus grand expérimentateur de l'antiquité. Parmi ses plus
célèbres inventions, une machine à vapeur, appelée l’aéolipile, et un
Windwheel, constituant l'un des premiers cas de l'exploitation du vent. Il
a été un adepte de la théorie atomique de la matière.
Denis Papin (physicien français, 1647-1714) met au point l’ancêtre des
machines à vapeur (figure ci dessous : le piston à vapeur). L’essentiel était
à l’époque de construire les machines indispensables à l’industrie
naissante.
On dit que Denis Papin eut l'idée de construire une machine utilisant la vapeur d'eau en
regardant bouillir de l’eau dans une marmite. La vapeur soulevant le couvercle, elle pouvait
donc aussi repousser un piston et ainsi fournir du travail. La motivation initiale était donc de
répondre à un besoin industriel essentiel à l'époque : trouver les conditions optimales pour «
transformer » la « chaleur » en « travail ». Dans cette phrase, on trouve les trois mots
fondamentaux de la thermodynamique. La thermodynamique est une science qui naît à la fin du
XVIIème
siècle. Le mot « thermodynamique » vient du grec « thermos » et « dunamis » qui
signifient respectivement chaleur et force.
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Piston à vapeur de Denis Papin Aéolipile de Héro (ou Héron) d'Alexandrie
En 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot (physicien français, 1796-
1832) développe les premières réflexions sur «la puissance motrice du
feu et des machines propres à développer cette puissance». Ces
machines servent alors de support expérimental à une réflexion
scientifique et à une ébauche de théorie. En 1831, Carnot propose que
la chaleur se conserve: un moteur thermique ne peut fournir du travail
que s’il emprunte de la chaleur à la source chaude et en restitue à la
source froide.
En 1860, James Prescott Joule (physicien et industriel anglais, 1818-
1889) franchit une nouvelle étape importante. Il énonce le principe
fondateur de la thermodynamique « L’énergie se conserve, c’est-à-
dire que tout travail peut être intégralement transformé en chaleur ».
Voilà énoncé le premier principe de la thermodynamique qui ne fait
qu’exprimer un postulat maintenant accepté par tous : la conservation
de l’énergie. L’énergie devient alors la grandeur importante de la
thermodynamique et en particulier l’énergie propre au système :
l’énergie interne U.
En 1865 : Rudolph Clausius (physicien allemand, 1822-1888) précise
que l’on ne peut pas faire n’importe quelle transformation même si
l’énergie se conserve. Il énonce le second principe de la
thermodynamique qui permettra de définir la température
thermodynamique T et une grandeur bien difficile à interpréter par
cette approche macroscopique, l’entropie S.
La thermodynamique du XIX
ème siècle est la science des transformations
thermodynamiques : chaleur - travail. Le modèle de l’atome est loin d’être approuvée à cette
époque et la thermodynamique repose donc essentiellement sur des postulats, appelés
principes ou lois, sans aucune référence aux atomes ou aux molécules. Depuis le début du
XXème
siècle, nous savons que l’objet premier de la thermodynamique est l’étude de l'état
d'équilibre d’un système.
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En 1875, les travaux de Ludwig Boltzmann (physicien autrichien,
1844-1906) démontrent que la thermodynamique qui traite avant tout
de phénomènes macroscopiques peut être comprise au niveau
microscopique, c'est-à-dire au niveau des molécules. Il introduit la
célèbre relation définissant l’entropie d’un système : S = k ln(Ω).
Ainsi, il est possible de donner un sens physique aux différentes
grandeurs thermodynamiques comme la température, l’énergie
interne, la chaleur, l’entropie grâce à la description microscopique
d'un système.
En 1880, Josiah Williard Gibbs (physicien américain, 1839-1903)
généralise le raisonnement de Boltzmann et définit de nouvelles
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La chaleur est une forme ou un mode de transfert d’énergie entre deux
systèmes ;
I.5 VOCABULAIRE THERMODYNAMIQUE
Définition du système
Pour décrire thermodynamiquement un système, il faut à la fois :
définir le système en délimitant ses frontières par rapport au milieu extérieur
déterminer l'état du système défini par ses variables
Le système est défini comme étant une région du monde physique dont on se propose
d’étudier les propriétés thermodynamiques ( P, T, V, n …). Le système est délimité par une
surface qui est sa frontière : celle-ci peut être réelle et matérialisée par exemple par les parois
d’un récipient ou d’un moteur …ou tout à fait virtuelle comme une étoile, une comète ou une
flamme.
Cette frontière peut être fixe (pas de mouvement) ou mobile donc pouvant par exemple
coulisser comme un piston, elle peut être rigide (donc indéformable) ou déformable comme
un ballon que l’on gonfle.
Le reste du monde physique qui ne fait pas partie du système constitue ce que l’on appelle le
milieu extérieur ou l’environnement ou l’univers.
Milieu extérieur (environnement)
Milieu extérieur Milieu extérieur
Milieu extérieur
Fig.: Délimitation du système
Le système est dit ouvert s’il échange matière et énergie avec le milieu extérieur. Le système
est dit fermé s’il n’échange que de l’énergie avec le milieu extérieur sans transfert de matière.
Etudier un système fermé revient à étudier une quantité de matière donnée.
milieu extérieur
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Un système est dit isolé s’il n’échange ni matière ni énergie avec son environnement comme
un calorimètre.
Indépendamment de la classification précédente qui porte sur la nature des interactions entre
le système et l’univers, on distingue suivant ses propriétés d’une part les systèmes homogènes
constitués d’une seule phase, dans ce cas et en tout point de l’espace du système les propriétés
physiques sont identiques et la composition chimique est la même. ; il peut être formé d’un
seul ou plusieurs constituant.
Un système est dit hétérogène ou discontinu s’il peut être décomposé en plusieurs systèmes
homogènes.
Dans un système fermé, il n'y a pas de transfert de masse et dans un système isolé, il n'y a pas
d'échange de travail ni de chaleur.
Système Echange
Matière
Echange de
travail
Echange de
chaleur
Echange
Energie
isolé non non non non
fermé non oui oui oui
ouvert oui oui oui oui
Tableau : Echange de masse et d'énergie entre le système et le milieu extérieur
Dans un système fermé, il n'y a pas de transfert de masse et dans un système isolé, il n'y a pas
d'échange de travail ni de chaleur.
o Système ouvert en régime permanent : Q, W et n échangées sont constantes
dans le temps
o Système adiabatique : Q = 0 (avec ME)
Système fermé avec paroi
mobile
Système ouvert Système isolé
Fig. : Différents types de systèmes
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Etat du système
L'état du système est défini ou décrit par ses variables macroscopiques (m, p, V, T, n...) dites
aussi variables d'état. A un système donné est associé tout un ensemble d'états possibles.
Variable ( ou grandeur ) intensive
Décomposons par la pensée un système homogène en plusieurs parties. Une variable
caractérisant un système sera dite intensive si chaque partie prend pour cette variable la même
valeur que le système entier.
Par exemple, si un gaz contenu dans une bonbonne a une température de 10°C et une pression
de deux bars, toute partie de ce système aura une température de 10°C et une pression de deux
bars.
La pression et la température sont donc des variables intensives.
Quelques grandeurs intensives courantes :
la pression
la température
la tension superficielle
l'affinité chimique
Les forces
La masse volumique
La densité
L’accélération
La vitesse Variable ( ou grandeur ) extensive
Décomposons par la pensée un système homogène en plusieurs parties. Une variable
caractérisant un système sera dite extensive si la valeur de la variable prise par le système
entier est la somme des valeurs de la même variable prise pour chaque partie.
Dans l'exemple précédent, le volume de la bonbonne sera la somme des volumes de chaque
partie et l’énergie interne de la totalité du gaz sera la somme des énergies internes des gaz
contenus dans chaque partie.
Le volume et la masse sont donc des variables extensives.
Quelques grandeurs extensives courantes :
la masse ;
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le nombre de particules ; le volume (la surface, la longueur) ; la charge électrique ; L’énergie ( cinétique, potentielle, élastique..) l'entropie ; l'enthalpie ; le débit ; les forces.
En général une grandeur intensive est associée à une grandeur extensive.
Le rapport de deux grandeurs extensives est intensif (par exemple : les densités
comme la masse volumique, la charge surfacique etc.).
Le produit d'une variable intensive par une extensive donne une variable extensive.
On appelle variables conjuguées, un couple de deux variables vérifiant les propriétés
suivantes :
L'une est intensive et l'autre extensive.
Leur produit est homogène à une énergie.
Exemples :
La pression (variable intensive) est la variable conjuguée du volume (variable
extensive).
La température (variable intensive) est la variable conjuguée de l'entropie (variable
extensive).
La tension (variable intensive) est la variable conjuguée de la charge (variable
extensive).
Le temps (variable intensive) est la variable conjuguée de la puissance (variable
extensive).
La vitesse (variable intensive) est la variable conjuguée de la quantité de mouvement
(variable extensive).
La vitesse angulaire (variable intensive) est la variable conjuguée du moment
cinétique (variable extensive).
La force (variable intensive) est la variable conjugué de la distance (variable
extensive).
L'intensité (variable intensive) est la variable conjugué du flux d'induction magnétique
(variable extensive).
Système
Variable
intensive
Variable
extensive
Travail
Fil tendu Force de traction F
(N)
Longueur l
(m) W = F dl
Surface d’un liquide Tension
superficielle
A (N.m – 1
)
Surface
(m²)
W = A d
Pile réversible F.é.m. E Charge Q W = E dq
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(V) (C)
Réaction chimique Potentiel chimique μ
(J)
Nombre de moles n
W = μ dn
Gaz Pression P
(Pa)
Volume V
( m3
) W = P dV
On remarque l’analogie entre les expressions de ces différents travaux : le travail élémentaire
apparaît toujours comme le produit d’une variable intensive Yi , par la variation élémentaire
d’une variable extensive Xi. Ces deux variables sont dites conjuguées.
Le travail élémentaire total accompli sur un système s’exprime alors par :
Le travail dépend du chemin suivi. L’unité de travail est le joule (J).
Comment distinguer une variable intensive d’une variable extensive ?
Une variable extensive est proportionnelle à la « taille » du système.
Une variable intensive prend une valeur définie en tout point du système et cette valeur est
constante.
Comment distinguer ces deux catégories de variables ?
Notre système étant défini, on imagine un second système tout à fait identique au
premier.
On réunit ces deux systèmes de telle sorte que l’on obtienne un seul système : on les
met côte à côte et on fait une ouverture entre les deux.
Certaines variables voient leur valeur augmenter : ce sont des variables extensives, les
autres conservent la même valeur : ce sont des variables intensives.
P V T m n
P V T m n
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