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Texte intégral

(1)UNIVERSITE MOHAMMED V FACULTE DES SCIENCES RABAT – AGDAL. Année universitaire 2013 / 2014 SMP4 - Module 16 - Physique 7. TD de Thermodynamique II Série n° 1 dX = C dT + RT dV , où C et R sont des constantes. V 1) La différentielle dX est-elle une différentielle totale exacte ?. Exercice 1 : Soit la différentielle :. 2) On pose dS = g(T).dX, avec g(T) = T n, n étant un entier positif ou négatif. Que vaut n pour que dS soit une différentielle totale exacte ? 3) Exprimer dans ce cas :.  ∂S   ∂S  a) les dérivées partielles   et   ;  ∂T  V  ∂V  T b) la fonction S(T,V ) à une constante près. Exercice 2 : Soient les deux différentielles suivantes : dZ1 = 2xydx + x2dy. et. dZ2 = 2xydx + xydy.. 1) Ces différentielles sont-elles exactes ou inexactes ? 2) Calculer ∆Z = Z(1,1) – Z(0,0) pour chaque différentielle et pour chacun des chemins suivants : a - le long de la droite y = x ; b - le long de la courbe y = x2. 3) Que valent les intégrales curvilignes de la différentielle d'une fonction d'état et de la différentielle d’une grandeur de parcours le long d'un contour fermé (cycle thermodynamique) ? Exercice 3 : On fait subir à une mole de gaz parfait les transformations cycliques représentées sur les diagrammes (a) : (P,V), (b) : (T,V) et (c) : (T,P) ci-dessous : P P2 P1. T 3. 4. 1 V1. (a). 2 V V2. T2 T1. T 3. 2. 1 V1. (b). 4 V V2. T2 T1. 3. 2. 1 P1. 4 P. (c). P2. Dans chaque cas et pour chaque transformation 1 → 2, 2 → 3, 3 → 4, et 4 → 1, calculer le travail et la chaleur mis en jeu entre le système et le milieu extérieur, en fonction du rapport γ = cp/cv des chaleurs massiques cp et cv, et des grandeurs thermodynamiques indiquées dans chacun des diagrammes. Le premier principe de la thermodynamique est-il vérifié ?. Exercice 4 : On fait subir à une masse m d’un gaz parfait le cycle des trois transformations réversibles représentées sur le diagramme P-v ci-dessous : 1 → 2 : transformation isochore 2 → 3 : transformation isotherme 3 → 1 : transformation isobare. 1) Calculer les énergies chaleur et travail mises en jeu le long de chaque transformation. 2) En déduire les énergies chaleur et travail mises en jeu le long du cycle. Conclure. 1. exosup.com. page facebook.

(2) Corrigé Exercice 1 : Rappel : Considérons la forme différentielle de la fonction F(x,y,z) :  ∂F    . dy +  ∂F  . dz = P(x, y, z) . dx + Q(x, y, z) . dy + R(x, y, z) . dz .  ∂z   ∂y    x,y   x ,z Une condition nécessaire et suffisante pour que la forme différentielle dF(x,y,z) soit une différentielle totale exacte est la condition de Schwarz :   dF(x, y, z) =  ∂F  . dx +  ∂x  y,z.  ∂P( x, y, z)   ∂Q( x, y, z)      − =0     ∂ y ∂ x   x, z   y, z  ∂Q( x, y, z)   ∂R ( x, y, z)      − =0     ∂ z ∂ y   x, y   x, z  ∂R ( x, y, z)   ∂P( x, y, z)      − =0     ∂ x ∂ z   y, z   x, y dV s’écrit : 1) Posons P(T, V ) = C , et Q(T, V) = RT , la différentielle dX = C dT + RT V V dX=P(T,V) dT + Q(T,V) dV Pour que dX soit une différentielle totale exacte, il faut et il suffit que :  ∂P(T,V)   ∂Q(T,V)    −  =0.  ∂V  T  ∂T  V  ∂P(T, V)  ∂C  = 0 puisque C = constante.   =    ∂V  T  ∂V  T.  ∂Q(T, V)  ∂ RT  = R .   =   ∂ T ∂  V  T V V V  ∂P(T, V)   ∂Q(T, V)    et   sont différents, la différentielle dX n’est donc pas une différentielle  ∂V  T  ∂T  V totale exacte. n +1. 2) On pose dS =g(T) dx = T n dx = T n  C dT + RT dV  = C T n dT + RT dV . V  V  Écrivons dS sous la forme : n +1 dS = P'(T, V) dT + Q'(T,V) dV où P' (T, V) = C T n et Q' (T, V) = RT . V  ∂P' (T, V)   ∂Q' (T, V)  RT n .   = 0 et   = (n + 1) ∂T V  ∂V  T  V Pour que dS soit une différentielle totale exacte, il faut que et il suffit que :  ∂P'(T,V)   ∂Q'(T,V)  RT n = 0 .   −  = 0 , c'est-à-dire : (n + 1) V  ∂V  T  ∂T  V La seule valeur de n vérifiant cette condition est n = -1. n +1 3) a) dS = C T n dT + RT dV =  ∂S  dT +  ∂S  dV V  ∂T  V  ∂V  T et Pour n = -1 : dS = C dT + R dV , ce qui donne :  ∂S  = C T V  ∂T  V T b) A partir de la différentielle : dS = C dT + R dV , nous avons : T V.  ∂S  = R .  ∂V  T V. 2. exosup.com. page facebook.

(3) ∫ dS = C ∫. dT + R dV ∫ T V. S - S o = C ln (T) + R ln (V) .. →. Corrigé Exercice 2 :.   1) dF = P(x, y) dx + Q(x, y) dy =  ∂F  dx +  ∂F  dy  ∂x  y  ∂y  x dF est dite différentielle totale exacte si et seulement si :.      ∂Q  P(x, y) =  ∂F  , Q(x, y) =  ∂F  , et  ∂P  =   .  ∂x  y  ∂y  x  ∂y  x  ∂x  y. dZ 1 = 2xydx + x 2 dy = P(x, y) dx + Q(x, y) dy →.  ∂P   ∂Q    = 2x, et   = 2x , ∂ y  ∂x  y  x. →. P(x,y) = 2xy et Q(x,y) = x2. →.  ∂P   ∂Q    =   ∂y  x  ∂x  y. →. P’(x,y) = 2xy et Q’(x,y) = xy. →.  ∂P   ∂Q    ≠   ∂y  x  ∂x  y. Donc dZ1 est une différentielle totale exacte.. dZ 2 = 2xydx + xydy = P' (x, y) dx + Q' (x, y) dy →.  ∂P'    = 2x, et  ∂y  x.  ∂Q'    =y,  ∂x  y. Donc dZ2 n’est pas une différentielle totale exacte. 2) Z1 et Z2 peuvent faire l’objet de fonctions d’état si la variation entre un état initial et un état final est indépendante du chemin suivit. • Considérons la variation ∆Z1 de la fonction Z1 : a - le long de la droite y = x : y=x →. dy = dx. →. 1. 1. 0. 0. 1. 1. 0. 0. ∆Z1,1 = ∫ dZ1 = ∫ 2xydx + x 2 dy = ∫ 3x 2 dx = x 3. =1.. b - le long de la courbe y = x2 : y = x2 →. dy = 2xdx. →. ∆Z1, 2 = ∫ dZ1 = ∫ 2xydx + x 2 dy = ∫ 4x 3 dx = x 4. = 1.. ∆Z1,1 = ∆Z1,2 → si dZ1 est une différentielle totale exacte, alors Z1 est une fonction d’état, et sa variation ∆Z1 = ∆Z1,1 = ∆Z1,2 ne dépend pas du chemin suivi. • Considérons à présent la variation ∆Z2 de la fonction Z2 : a - le long de la droite y = x : y=x →. dy = dx. →. 1. 1. 0. 0. ∆Z 2,1 = ∫ dZ 2 = ∫ 2xydx + xydy = ∫ 3x 2 dx = x 3. =1.. b - le long de la courbe y = x2 : y = x2 →. dy = 2xdx. → 1. ∆Z 2, 2 = ∫ dZ 2 = ∫ 2xydx + xydy = ∫ 2x 3 dx + 2x 4 dx = 2 x 4 4 0. 1 0. + 2 x5 5. 1 0. = 9 ≠ 1. 10. ∆Z1,1 ≠ ∆Z1,2 → si dZ1 n’est pas une différentielle totale exacte, alors Z2 n’est pas une fonction d’état, et sa variation ∆Z2 dépend du chemin suivi. 3) - L’intégrale curviligne de la différentielle d’une fonction d’état le long d’un contour fermé est nulle : ∫ dU = ∆U = 0 ; ∫ dS = ∆S = 0 .. 3. exosup.com. page facebook.

(4) - L’intégrale curviligne de la différentielle d’une grandeur de parcours le long d’un contour fermé est, en général, non nulle : ∫ δw = W ≠ 0 ; ∫ δq = Q ≠ 0 . Corrigé Exercice 3 : a) Variables P,V : • Les travaux échangés avec le milieu extérieur valent : - le long de l’isobare 1 → 2 : W1,2 = - P1(V2 – V1), - le long de l’isochore 2 → 3 : W2,3 = 0, - le long de l’isobare 3 → 4 : W3,4 = - P2(V1 – V2), - le long de l’isochore 4 → 1 : W1,2 = 0. Le travail total échangé avec le milieu extérieur est donc : W = W1,2 + W2,3 + W3,4 + W4,1 = (P2 – P1)(V2 – V1). Le travail W = ∫ - PdV est également mesuré par l’aire hachurée du diagramme (P,V). Il est compté positivement car le cycle est décrit dans le sens trigonométrique direct. • Les quantités de chaleurs valent, compte tenu des équations d’état : PiVi = RTi (n = 1) : T2. - le long de l’isobare 1 → 2 : Q1, 2 = ∫ C pm dT = C pm (T2 − T1 ) , T1 T3. - le long de l’isochore 2 → 3 : Q 2,3 = ∫ C vm dT = C vm (T3 − T2 ) , T2 T4. - le long de l’isobare 3 → 4 : Q 3, 4 = ∫ C pm dT = C pm (T4 − T3 ) , T3 T1. - le long de l’isochore 4 → 1 : Q 4,1 = ∫ C vm dT = C vm (T1 − T4 ) . T4. Cpm et Cvm sont respectivement les capacités thermiques du gaz parfait relatives à une mole : l’enthalpie H d’un gaz parfait ne dépend que de la température T : H(T) = U(T) + PV = U(T) + nRT. dH = dU + nR Par dérivation : dT dT les capacités calorifiques ont pour expressions : C p = mc p = dH et C v = mc v = dU . dT dT Cp d’où la relation de Mayer : Cp – Cv = nR ; en posant ensuite = γ on obtient : Cv nγR γR Cp = et C v = nR , et relativement à une mole de gaz : C pm = et C vm = R γ -1 γ -1 γ -1 γ -1 T2. - le long de l’isobare 1 → 2 : Q1, 2 = ∫ C pm dT = T1. γR γ (T − T1 ) = P (V − V1 ) , γ -1 2 γ -1 1 2. T. 3 - le long de l’isochore 2 → 3 : Q 2,3 = ∫ C vm dT = R (T3 − T2 ) = 1 V2 (P2 − P1 ) , γ -1 γ -1 T 2. T4. - le long de l’isobare 3 → 4 : Q 3, 4 = ∫ C pm dT = T3. γR γ (T4 − T3 ) = P (V − V1 ) , γ -1 γ -1 2 2. T. 1 - le long de l’isochore 4 → 1 : Q 4,1 = ∫ C vm dT = R (T1 − T4 ) = - 1 V1 (P2 − P1 ) . γ -1 γ -1 T 4. 4. exosup.com. page facebook.

(5) La quantité de chaleur totale échangée Q = ∑ Q i est alors : i. Q = - (P2 – P1)(V2 – V1) On a W = - Q, ce qui vérifie le principe de l’équivalence : (Q + W)cycle = 0. b) Variables T,V : • Les travaux échangés avec le milieu extérieur valent : - le long de l’isochore 1 → 2 : W1,2 = 0, - le long de l’isotherme 2 → 3 : W2,3 = RT2 ln. V1 V = − RT2 ln 2 , V2 V1. - le long de l’isochore 3 → 4 : W3,4 = 0, - le long de l’isotherme 4 → 1 : W4,1 = RT1 ln. V2 . V1. Le travail total échangé avec le milieu extérieur est donc : W = - R (T2 - T1 ) ln •. V2 V1. Les quantités de chaleurs valent : T. 2 - le long de l’isochore 1 → 2 : Q1, 2 = ∫ C vm dT = R (T2 − T1 ) , γ -1 T1. - le long de l’isotherme 2 → 3 : Q 2,3 = - W2,3 = + RT2 ln. V2 , V1. T. 4 - le long de l’isochore 3 → 4 : Q 3, 4 = ∫ C vm dT = - R (T2 − T1 ) , γ-1 T3. - le long de l’isotherme 4 → 1 : Q 4,1 = - W4,1 = − R T1 ln. V2 . V1. La quantité de chaleur totale échangée est alors : Q = R (T2 − T1 ) ln. V2 . V1. Le principe de l’équivalence (Q + W)cycle = 0 est encore vérifié. Ici W < 0 et Q > 0 : le système fournit un travail et reçoit de la chaleur, contrairement au cycle précédent. c) Variables T,P : • Les travaux échangés avec le milieu extérieur valent : - le long de l’isobare 1 → 2 : W1,2 = - P1(V2 – V1) = - R(T2 – T1), P - le long de l’isotherme 2 → 3 : W2,3 = RT2 ln 2 , P1 P (PV = RT → V = RT → dV = - RT dP → W2,3 = - ∫ P dV = RT ∫PP2 dP = RT2 ln 2 ) 2 1 P P1 P P. - le long de l’isobare 3 → 4 : W3,4 = - P2(V4 – V3) = R(T2 – T1), - le long de l’isotherme 4 → 1 : W4,1 = - RT1 ln. P2 . P1. Le travail total échangé avec le milieu extérieur est donc : W = R (T2 − T1 ) ln •. P2 . P1. Les quantités de chaleurs échangées avec le milieu extérieur valent :. 5. exosup.com. page facebook.

(6) T2 γR - le long de l’isobare 1 → 2 : Q1, 2 = ∫ C pm dT = (T − T1 ) , γ-1 2 T1. - le long de l’isotherme 2 → 3 : Q 2,3 = - W2,3 = + RT2 ln T4. T1. T3. T2. P2 , P1. - le long de l’isobare 3 → 4 : Q 3, 4 = ∫ C pm dT = ∫ C pm dT = - le long de l’isotherme 4 → 1 : Q 4,1 = - W4,1 = + RT1 ln. γR (T − T1 ) , γ -1 2. P2 . P1. La quantité de chaleur totale échangée est alors :. P2 . P1 Le principe de l’équivalence (Q + W)cycle = 0 est encore vérifié. Ici W > 0 et Q < 0 : le système reçoit cette fois du travail et fournit de la chaleur au système extérieur, contrairement au cycle précédent. Q = - R (T2 − T1 ) ln. Exercice 4 : 1°) Transformation isochore 1→2 : V1 = V2 W1→2 = − ∫ PdV = 0 , PV = nRT = m RT = mrT ⇒ dT = V1 dP M mr Transformation isotherme 2→3 : T2 = T3 = To. ⇒. Q1→2 = ∆U = mc v ∫ dT = mc v (T2 - T1 ) c c Q1→2 = v V1 ∫PP12 dP = v V1 (P2 - P1 ) r r. ⇒. P = mr T V. T2 = T3 = T = cte. ⇒. La transformation est isotherme. ⇒. V P W2→3 = - mrT2 ∫VV12 dV = - mrT2 ln 3 = - mrT2 ln 2 V V1 P1 ∆U 2→3 = W2→3 + Q 2→3 = 0 Q 2→3 = - W2→3 = mrT2 ln V3 = mrT2 ln P2 V1 P1. W2→3 = − ∫ PdV. PV = nRT. ⇒ Transformation isobare 3→1 : P3 = P1 W3→1 = − ∫VV31 P1dv = - P1 (V1 - V3 ) ⇒ cp P1 ∫VV31 dv ⇒ r 2°) Sur tout le cycle : • Wcycle = W1→ 2 + W2→ 3 + W3→ 1 Q 3→1 = mc p ∫ dT =. ⇒. W3→1 = - P1 (V1 - V3 ) = mr (T2 - T1 ) Q 3→1 =. cp P1 (V1 - V3 ) = mc p (T1 - T2 ) r. V3 V P - P1 (V1 - V3 ) = - mrT2 ln 3 + mr (T2 - T1 ) = - mrT2 ln 2 - P1 (V1 - V3 ) V1 V1 P1 2 + Q 2 → 3 + Q 3→ 1. Wcycle = - mrT2 ln • Qcycle. = Q 1→. Qcycle = - mc v (T1 - T2 ) + mrT2ln P2 + mc p (T1 - T2 ) = mrT2ln P2 + mr (T1 - T2 ) = mrT2ln P2 + P1 (V1 - V3 ) P1 P1 P1. ⇒. Q cycle + Wcycle = 0 ⇒ Wcycle = - Q cycle , ce qui vérifie le premier principe ∆U cycle = 0 .. 6. exosup.com. page facebook.

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