2
Révisions de thermodynamique
1°) Comment définit-on un système en thermodynamique ?
2°) Quelles sont les différentes sortes d’énergies que peut emmagasiner un système ? Quelles sont les différentes sortes d’énergie que peut échanger un système avec l’extérieur (les définir) ?
3°) Enoncer le premier principe sous sa forme la plus générale, pour une transformation finie. 4°) Quelle information donne le signe d’un transfert thermique ?
5°) Définir l’enthalpie. Exprimer le premier principe avec l’enthalpie, en précisant les conditions de validité de cette formule.
6°) Pour un gaz parfait, donner (avec démonstration) la relation entre les capacités thermiques, à volume constant et à pression constante. Exprimer (avec démonstration) chacune de ces capacités thermiques en fonction de la température. 7°) Donner la relation entre les deux capacités thermiques, pour une phase condensée indilatable incompressible. 8°) On considère un gaz parfait en évolution quasi-statique à partir d’un état initial, état représenté par un point A sur le diagramme de Clapeyron.
> Représenter la courbe suivie par le gaz (vers un état final quelconque B) pour une détente isotherme.
> Représenter sur le même diagramme la courbe suivie par le gaz (vers un état quelconque B’) lors d’une détente adiabatique.
On donnera l’équation des courbes, en précisant leur position respective (laquelle est au-dessus de l’autre, sans refaire la démonstration).
9°) Enoncer le deuxième principe de la thermodynamique. Pourquoi dit-on que c’est un « principe d’évolution » ? 10°) Enoncer en une phrase courte (sans aucune formule mathématique) quelle est l’information qualitative donnée par l’entropie sur le système à l’échelle microscopique.
11°) On considère un gaz parfait dans un cylindre vertical fermé par un piston. On agit alors sur le piston de manière à ce que Pext soit constant et uniforme (monobare). Les parois du cylindre sont diathermanes et la température extérieure est constante et uniforme T ext (monotherme).
Initialement la pression du gaz est quelconque , et sa température égale à celle de l’extérieur . L’évolution est brutale. Dans l’état final, le gaz est en équilibre mécanique et thermique avec l’extérieur.
> Quelle est la pression et la température du gaz dans l’état final ? > Calculer l’entropie créée au cours de cette transformation.
> On peut montrer que l’entropie créée est positive. Quelle est l’origine physique de l’irréversibilité ? 12°)
o Dessiner le diagramme (P,T) d’un corps pur.
o Préciser en quelques mots l’état du corps lorsque le point représentatif est sur les courbes, et l’état du corps pur lorsque le point est en-dehors des courbes.
o Quelle est la particularité de l’eau vis-à-vis de ce diagramme ? 13°)
o Dessiner le diagramme de Clapeyron de l’équilibre liquide-vapeur d’un corps pur (réseau de courbes) :
o Comment appelle-t-on chacune des courbes ?
o Qu’est-ce que la courbe de saturation ? la courbe d’ébullition ? celle de rosée ?
o Quel est l’état du corps sur la courbe de rosée ? Quel est l’état du corps dans les domaines délimités par la courbe de saturation ?
o Enoncer le théorème des moments, en définissant chacun des termes.
14°) On place un récipient contenant 1 g d’eau à l’extérieur, un jour où la température est - 5 ° C. L’eau, initialement liquide, atteint la température de - 5 ° C tout en restant à l’état liquide (surfusion de l’eau). Soudainement, la totalité de l’eau se transforme en glace. Déterminer puis calculer numériquement la variation d’enthalpie au cours du changement d’état.
■ enthalpie massique de fusion de l’eau à 0 ° C : Δf u sH = 3 3 3 J . g- 1 ■ capacité thermique massique de l’eau liquide : ce = 4, 2 kJ . k g
- 1 . K- 1 ■ capacité thermique massique de la glace : cg = 2 , 1 k J . k g- 1. K-1
2
15°) Dessiner les schémas de principe des 3 machines dithermes réalisables, en représentant les sens réels des échanges d’énergie.
16°) Démontrer l’inégalité de Clausius pour une machine ditherme.
17°) Donner la définition qualitative (générale) de l’efficacité. Préciser cette définition dans le cas du réfrigérateur. 18°) Enoncer, puis démontrer le théorème de Carnot dans le cas du réfrigérateur. Quand l’égalité est-elle réalisée ? 19°) Donner le diagramme de Watt du cycle de Carnot.
