Cours et exercices de Thermodynamique L1

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Cours et exercices de Thermodynamique Première Année Licence LMD
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Dhaouadi Zoubeida
Faculté des Sciences de Bizerte -University of Carthage
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Dhaouadi Zoubeida/Professeur des universités/Faculté des Sciences de Bizerte/Dép. Physique - 2018
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Cours et exercices de
Thermodynamique
Dhaouadi Zoubeida
Professeur de Physique
Faculté des Sciences de Bizerte
Première Année Licence LMD
Références :
Introduction à la thermodynamique, Jean- Luc Godet-Lartigaud,
Vuibert. (CA3000)
Thermodynamique, Hubert Lombroso, Ediscience. (CA882)
Thermodynamique, Jean-Pierre Faroux et col., Dunod. (CA1195)
Thermodynamique, Jean Marie Brébec et col., HACHTTE (CA1237).

Dhaouadi Zoubeida/Professeur des universités/Faculté des Sciences de Bizerte/Dép. Physique - 2018
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Chapitre I : Premier principe de la
thermodynamique
I. Introduction
C’est quoi la thermo ? C’est l’étude macroscopique des systèmes à
l’équilibre. La définition précise du système est importante, ce
système est généralement délimité par des parois et la nature des
parois va déterminer la nature du système.
Le système thermodynamique est généralement formé par de la
matière appelée fluide qui peut être un gaz, un liquide ou un solide
ou un mélange. Ce système est caractérisé par des grandeurs
macroscopiques mesurables appelées variables d’état. Ces variables
d’état sont mesurées dans un état d’équilibre du système, et dans cet
état d’équilibre elles sont constantes et indépendantes du temps.
Dans ce qui suit, nous allons définir les bases de la thermodynamique
et étudier les transformations des fluides qui mènent à des états
d’équilibre.
Nous allons également caractériser les états du système à l’équilibre
thermodynamique énergétiquement par des fonctions d’état tels que
l’énergie interne ou l’entropie (objet du second chapitre) qui seront
les deux principes de fond de la thermodynamique classique.
II. Définitions de base de la thermodynamique
1. Le système et sa nature
Un système est formé par un ensemble de molécules
ou d’atomes de même nature ou différents, ses
constituants (atomes et/ou molécules) sont dans un
espace délimité par des parois, leur nombre est
énorme et sont en perpétuels mouvements, ainsi leur
étude microscopique est complexe.
Avez-vous une idée du nombre d’atome ou de molécules que
contient un système thermodynamique ?
Un système thermodynamique peut se présenter sous forme d’un gaz,
d’un liquide ou d’un solide. Typiquement les distances entre les éléments
constituants du système sont de l’ordre de 0,3 nm dans le cas des
solides ou liquides et 3 nm dans le cas d’un gaz. Dans 1cm3 de matière
du système thermodynamique il y a environ 1022 à 1023 (atomes ou
molécules) s’il s’agit d’un solide ou d’un liquide et 1019 à 1020 si c’est un
gaz.

Dhaouadi Zoubeida/Professeur des universités/Faculté des Sciences de Bizerte/Dép. Physique - 2018
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En général on parle de mole de matière, la mole définie comme étant la
quantité de matière dans 12g de 12C et la mole contient un nombre
d’atome ou de molécules égal au nombre d’Avogadro NA=6.0221023/mol.
On peut constater rapidement que quelques cm3 de matière solide ou
liquide contiennent la mole de matière. Rappelons aussi que un gaz à
pression atmosphérique et à une température de O°C occupe le volume
22.4 l.
Comme le nombre de particules microscopiques dans un système
thermodynamique est grand et que ces particules sont en mouvement
perpétuels, il sera difficile de mesurer des grandeurs microscopiques
telles que la vitesse de chaque particule ou le positionnement de chaque
particule, par contre il est possible de mesurer des grandeurs
macroscopiques qui sont directement liées aux variations moyennes
microscopiques. Les grandeurs macroscopiques qu’on mesurera dans un
système thermodynamique seront appelées les variables d’état car elles
vont décrire macroscopiquement l’état du système. La thermodynamique
est donc l’étude macroscopique des systèmes constitués d’un grand
nombre de particules microscopiques (atomes/molécules…), les
variables d’état qui décrivent macroscopiquement l’état du système
sont : la température, la pression et la quantité de matière et le volume
du système.
Un système thermodynamique va effectuer
des échanges avec son milieu extérieur, ces
échanges dépendent beaucoup des
frontières qui limitent le système du milieu
extérieur, ainsi le système peut être ouvert,
fermé ou isolé.
 Le système est dit isolé s’il n’est pas en interaction avec le
milieu extérieur et il n’échange avec lui ni matière ni
énergie.
 Le système est fermé s’il n’échange pas de matière avec le
milieu extérieur mais il échange de l’énergie.
 Le système est ouvert s’il échange matière et énergie avec
l’extérieur.

Dhaouadi Zoubeida/Professeur des universités/Faculté des Sciences de Bizerte/Dép. Physique - 2018
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Si les parois du système sont adiabatiques, elles ne laissent pas passer
la chaleur (exemple thermos), si elles sont diathermes un échange
d’énergie peut s’effectuer (exemple bouteille en verre ou en plastique).
Application :
Déterminer la nature des systèmes suivants :
L’homme (ouvert : il respire, il transpire, il mange …), thermos bien
étanche contenant un liquide (isolé), une casserole contenant un liquide
(ouvert), une bouteille de sirop en verre et fermée (fermé), la terre
(généralement considérée comme système fermé échange d’énergie
mais très peu de matière avec l’extérieur comme satellites ou météorites
…), une bougie allumée (ouvert), voiture en marche (ouvert l’essence
diminue, les gaz s’échappent, la voiture s’échauffe…), feu de bois
(ouvert car dégage la fumée et ça chauffe).
2. Les variables d’état
Dans ce cours, les grandeurs macroscopiques à déterminer pour le
système sont Température T (K), pression P (Pa), volume V (m3),
nombre de moles n (mol). Elles sont dites variables d’état car elles
permettent de décrire l’état du système et pas celui de son
environnement extérieur.
Les variables d’état sont dites extensives si leurs valeurs dépendent de
la quantité de matière du système comme le volume, le nombre de
moles, la masse, …
Les variables d’état sont intensives si leurs valeurs restent constantes
peu importe la quantité de matière comme la pression et la température.
i. La température : elle est toujours très subjective, selon notre
état ou perception des choses, des objets peuvent nous paraitre chauds
ou froids (exemple si je touche une personne elle peut par exemple me
paraitre plus chaude que moi, mais si j’ai de la fièvre le résultat sera
l’inverse). Afin d’éviter ce côté subjectif, l’homme a construit des
thermomètres pour mesurer la température d’un objet. Celle-ci-est
mesurée dans un état d’équilibre, quand la température de l’objet et
celle du thermomètre s’égalisent (les mesures se font
par rapport à la même référence).
Cependant, la Température a pour origine les
mouvements des atomes et des molécules du système
(énergie cinétique microscopique appelée aussi