PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE .

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Thermo 3 1

Thermo 3 : B ILANS D ’ ENERGIE : LE 1

PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE .

Dans Thermo1, on a introduit le vocabulaire et les outils nécessaires pour décrire un système thermodynamique à l’équilibre.

La modification d’un (ou plusieurs) paramètre externe induit l’évolution du système de l’état d’équilibre initial A vers un nouvel état d’équilibre, final, B.

Cette évolution se fait selon plusieurs transformations possibles (présentées dans la fin du chapitre Thermo0).

Elle s’accompagne de transferts d’énergie entre le système et le milieu extérieur (sauf pour un système isolé bien sûr) sous forme de travail ou de transfert thermique.

Le premier principe de la thermodynamique va nous permettre l’évaluation quantitative de ces transferts d’énergie, va nous permettre de réaliser des bilans d’énergie.

I. L

: W.

A – Travail des forces pressantes 1. Définition du travail des forces de pression.

2. Cas des transformations quasi-statiques.

3. Transformations particulières.

a. Transformations isochores.

b. Transformations monobares.

c. Transformations isochores.

d. Transformations quasi-statiques et isothermes POUR UN GP.

B – Autres travaux : Travaux utiles

II. L

1

’

Q

W.

1. Enoncé du 1^er principe.

a. Traductions usuelles du 1^er principe.

b. Théorème de l’état initial et de l’état final.

2. Contenu physique.

3. Cas particuliers.

a. Système fermé et isolé.

b. Système fermé et macroscopiquement au repos.

c. Système fermé décrivant des transformations cycliques.

4.

Le 1

principe permet de calculer le transfert thermique Q.

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III. E

:

J

.

2. Détente de Joule-Thomson (=Joule-Kelvin) : détente isenthalpique.

a. Bilan d’énergie totale sur un écoulement permanent.

b. La fonction d’état enthalpie.

c. Détente de Joule-Kelvin.

IV. L

: Q.

1. Les coefficients calorimétriques : CP, CV, C.

a. Capacité thermique à volume constant : CV(T) b. Capacité thermique à pression constante : CP(T) c. Cas des phases condensées.

2. Calculs de transferts thermiques.

a. Cas général.

b. Transformations isochores où seuls interviennent les travaux des forces pressantes.

c. Transformations isobares où seuls interviennent les travaux des forces pressantes.

3. Applications.

Objectifs

Savoirs :

Savoir définir le travail des forces de pression reçu par le système lors d'une transformation infinitésimale ou d'une transformation finie.

Savoir énoncer le premier principe de la thermodynamique en termes d'énergie interne et d'enthalpie.

Connaître la détente de Joule-Gay-Lussac (détente isoénergétique).

Connaître la détente de Joule-Thomson ( = Joule-Kelvin) (détente isenthalpique).

Savoirs faire :

Savoir calculer le travail des forces de pression reçu par le système sur des transformations particulières : quasi-statique / isochore / monobare / isobare / isotherme pour un GP.

Savoir traduire le premier principe sur une évolution globale ou infinitésimale, sur un système isolé, un système au repos, un système décrivant des cycles.

Savoir établir la conservation de l'énergie interne lors d'une détente de Joule-Gay-Lussac.

Savoir réaliser un bilan d’énergie totale sur un fluide en écoulement permanent Savoir établir la conservation de l'enthalpie lors d'une détente de Joule-Kelvin.

Savoir exprimer le transfert thermique pour des transformations à volume constant ou pression constante.

Savoir traduire (HB−HA)=QP dans le cadre de la calorimétrie, des réactions chimiques et des changements d'état.

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Questions de cours

1. Comment exprime-t-on le travail des forces pressantes : a. dans le cas d’une transformation infinitésimale ? b. dans le cas d’une transformation finie ?

Que deviennent ces expressions dans le cas d’évolutions quasi-statiques ?

2. Représentation graphique des travaux des forces de pression :

a. Quelle représentation graphique des transformations (quasi-statiques) permet de lire les travaux fournis au système par les forces de pression ? Comment ?

b. Donner pour les transformations suivantes entre deux états d’équilibre A et B une représentation graphique dans le diagramme de Watt du travail reçu par le système : a) isochore, b) monobares, c) isobares, d) quasi-statiques et isothermes d’UN GP.

c. Dans le cas d’une transformation quasi-statique cyclique : dans quel cas le travail reçu est-il positif ? négatif ? Comment qualifie-t-on dans chaque cas le cycle ?

3. Donner pour les transformations suivantes entre deux états d’équilibre A et B l’expression du travail reçu par le système de la part des forces pressantes :

a) isochore, b) monobares, c) isobares, d) quasi-statiques et isothermes d’UN GP.

4. Enoncer PRECISEMENT le 1^er principe de la thermodynamique (en fonction de U puis de H).

a. Quelles en sont les traductions mathématiques usuelles (en fonction de U puis de H) lors d’une évolution infinitésimale ? lors d’une évolution finie ?

b. Quel est le contenu physique de ce 1^er principe ? c. Que dire de l’énergie totale d’un système fermé et isolé ?

d. Traduire le premier principe pour une évolution infinitésimale puis finie d’un système au repos.

e. Traduire le premier principe et ses conséquences pour une évolution cyclique.

5. Enoncer le théorème de l’état initial et de l’état final. Quel en est le principal intérêt ? (pour nous)

6. Détente de Joule-Gay-Lussac :

a. Présenter PRECISEMENT le dispositif expérimental correspondant.

b. Calculer la variation d’énergie interne au cours de la détente.

c. En déduire la première loi de Joule.

7. Détente de Joule-Thomson ( = Joule-Kelvin) :

a. Etablir le bilan d’énergie sur un fluide en écoulement permanent.

b. Définir la fonction d’état ENTHALPIE : H.

c. Présenter PRECISEMENT le dispositif expérimental correspondant à une détente de Joule- Kelvin.

d. Montrer que la détente de Joule est isenthalpique.

e. En déduire la deuxième loi de Joule.

8. Définir les principaux coefficients calorimétriques.

9. Comment évalue-t-on les transferts thermiques reçus lors de l’évolution d’un système ? a. Dans le cas général ?

b. Dans le cas des transformations isochores où seuls interviennent les travaux des forces pressantes.

c. Dans le cas des transformations isobares où seuls interviennent les travaux des forces pressantes.

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10. Calorimétrie :

a. Qu’est-ce que la calorimétrie ? Décrire les principaux éléments d’un calorimètre.

b. Présenter très brièvement le principe de la méthode des mélanges puis de la méthode électrique.

11. Qu’appelle-t-on chaleur latente massique de changement d’état d’un système ?