Cours thermo mpsi

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CoursdeThermodynamique
CPGE1èreannée
UO2
Dr Amadou KONFE

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Présentation de l’UE de thermodynamique
1 Objectifs et finalités
La thermodynamique est la science traduisant les rapports entre la chaleur et la mécanique.
Elle traite de l’énergie et de ses transformations, en particulier sous forme de chaleur et de
travail.
Ce module vise à donner aux étudiants les notions fondamentales sur les propriétés et les
interactions entre un système donné avec le milieu extérieur, en particulier par échange
d’énergie ainsi que les applications y relatives.
A l’issu de ce module, les étudiants devront être capables :
- de décrire les concepts fondamentaux en thermodynamique
- d’appliquer les principes (premier et second) de la thermodynamique de façon
générale et à des applications précises (bilan d’énergie sur des systèmes, sens des
transformations, machines thermiques, les performances des systèmes…)
2 Pré requis (Outils mathématiques)
- Dérivées (totales, partielles)
- Différentielles
- Formes différentielles – différentielle totale exacte – applications
- Intégrales
3 Séquences
A. Généralités sur la thermodynamique
- Définition des différents termes et concepts de la thermodynamique
- Thermométrie, notion de pression et applications
B. Travail et Chaleur
- Travail
- Chaleur (Définition des chaleurs spécifiques ou chaleur latente ou capacité thermique
massique et capacité calorifique ou capacité thermique)
- Mesure des quantités de chaleur : calorimétrie
C. Propriétés thermo élastiques des gaz
- Tracé des diagrammes de Clapeyron et d’Amagat
- Définir les coefficients thermo élastiques : compressibilité des gaz, dilatation des gaz à
pression constante, augmentation de pression à volume constant
- Equations d’état des gaz
D. Premier principe de la thermodynamique
- Enoncé du principe, principe de l’état initial et de l’état final
- Energie interne d’un système, fonction enthalpie

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- Expression analytique du 1er principe
- Application au cas particulier du gaz parfait : les relations de Laplace
E. Deuxième principe de la thermodynamique
- Introduction : Incapacité du 1er principe à prédire les évolutions possibles
- Cycles monothermes et polythermes : transformations réversibles et transformations
irréversibles
- Cycle de Carnot et rendement thermique d’un moteur thermique dithermes
- Enlèvement de chaleur à une source froide par cycle ditherme : le réfrigérateur
- L’entropie et le second principe de la thermodynamique
- L’inégalité de Clausius

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CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LA THERMODYNAMIQUE
I- Définitions :
1°) But de la thermodynamique :
La thermodynamique est la science traduisant les rapports entre la chaleur et la
mécanique. Elle traitera de l’énergie et de ses transformations.
La chaleur s’intéresse aux phénomènes physiques se manifestant soit par une élévation de
température, soit par un changement d’état physique.
La mécanique s’occupe du mouvement des corps. La thermodynamique étudie les systèmes
matériels formés d’un grand nombre de particules élémentaires. Ces particules sont
assimilables à des points matériels : molécules d’un gaz monoatomique, atomes des molécules
polyatomiques, électrons des corps électrisés, etc.….
2°) Thermodynamique statistique et thermodynamique macroscopique (ou thermodynamique
classique) :
- Le nombre considérable de particules (6.1023 pour une mole) fait que l’on s’intéresse à
l’étude de la répartition statistique des grandeurs mécaniques (position, vitesse…) :
c’est l’objet de la thermodynamique statistique qui fait appel à des valeurs moyennes
des grandeurs observées.
- La thermodynamique peut s’intéresser aussi aux propriétés de la matière prise dans
son ensemble, c'est-à-dire déterminée sur des échantillons de matière de taille
humaines. Dans ce cas, la thermodynamique s’intéresse à l’aspect macroscopique des
phénomènes. Les relations entre les grandeurs macroscopiques et leur évolution dans
le temps sont alors prévues soit à partir de principes généraux, soit par une étude
expérimentale de chaque système : c’est la thermodynamique macroscopique (ou
thermodynamique classique). La thermodynamique classique et la thermodynamique
statistique conduisent aux mêmes résultas.
3°) Système et milieu extérieur :
En thermodynamique, on est amené à s’intéresser au système. Tout ce qui n’appartient
pas au système, fait partie du milieu extérieur. Un système peut toujours être considéré
comme la réunion de sous-systèmes. L’enveloppe imaginaire qui délimite un système et le
dissocie du milieu extérieur est appelée l’enceinte du système. On peut la doter de propriétés
particulières dans le but soit d’isoler le système de son milieu, soit d’établir une interaction
spécifique entre l’un et l’autre.
Un système isolé ne peut échanger avec le milieu extérieur ni matière, ni énergie. Si le
système n’est pas isolé, son enceinte est perméable à la matière ou à l’énergie ou aux deux à
la fois ; elle permet donc l’échange avec le milieu extérieur. Si l’échange porte sur la matière,
le système est dit ouvert. S’il ne porte que sur l’énergie, à l’exclusion de la matière, le
système est fermé (mais non isolé) : sa masse reste constante.

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4°) Paramètres d’état d’un système :
On définit l’état d’un système par l’ensemble de ses propriétés macroscopiques. Chaque
propriété est caractérisée par une grandeur (scalaire, vectorielle ou plus complexe) qu’on
appelle paramètre d’état (variable d’état). Exemple : volume, température, masse, etc. … Les
paramètres d’état peuvent être classés en deux groupes :
a) Les paramètres intensifs :
Ils ont une valeur indépendante de la masse du système. Exemple : la pression, la
température, le potentiel électrique sont des paramètres intensifs. Les paramètres intensifs ne
sont pas additifs.
b) Les paramètres extensifs :
Ils ont une valeur dépendante de la masse du système. Exemple : la masse, le volume, le
nombre de moles, la charge électrique, sont des paramètres extensifs. Les paramètres extensifs
sont additifs.
5°) Equilibre thermodynamique d’un système :
Lorsque les paramètres d’état changent de valeurs soit de façon spontanée, soit sous
l’action du milieu extérieur, on dit que le système évolue ou subit une transformation
(processus). Lorsque le système évolue, des forces d’interaction naissent en général au sein du
système et entre le système et le milieu extérieur.
 Le système sera dit en équilibre mécanique si la résultante des forces du système
d’une part, et de la résultante des forces entre le système et le milieu extérieur d’autre
part, est nulle.
 Le système est en équilibre chimique si, en équilibre mécanique, il n’y a ni réactions
chimiques, ni transfert de matière d’une partie du système vers une autre ou vers le
milieu extérieur.
 Lorsque le système a une température qui est la même en tous ses points, et une
température qui est la même que celle du milieu extérieur, on dit qu’il est en équilibre
thermique.
 Un système qui est à la fois, en équilibre mécanique, en équilibre chimique et en
équilibre thermique est dit en équilibre thermodynamique.
Autrement dit, un système isolé dont l’état demeure constant est dit être en équilibre
thermodynamique.
6°) Transformations ou processus :
Une transformation est dite naturelle s’il existe un système isolé qui étant dans l’état A,
peut au cours d’un intervalle de temps, passer dans l’état B.
a) Transformation quasi-statique :