Thermodynamique : Initiation, Systèmes, Température et Chaleur

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THERMODYNAMIQUE
CHAPITRE I
Initiation à la Thermodynamique
Objectifs :
➢ Définir la thermodynamique
➢ Présenter les différents types des systèmes thermodynamiques
➢ Définir les variables d’état, les équations d’état et les fonctions d’état
➢ Définir la notion de la température et de la thermométrie
➢ Définir la notion de la calorimétrie (Quantité de chaleur, propagation de la chaleur, chaleur
massique)
➢ Définir les aspects de dilatation des solides, des liquides et des gaz
➢ Présenter les différents états physiques d’un corps
➢ Définir la notion du travail
➢ Définir la notion de l’énergie

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THERMODYNAMIQUE
1. LA THERMODYNAMIQUE :
La thermodynamique classique telle qu’elle est formulée actuellement trouve ses racines dans les
réflexions sur la puissance motrice du feu rédigées par le physicien français Sadi Carnot.
Le but premier de la discipline, était d'analyser la transformation en travail mécanique de la chaleur
fournie par une chaudière et d'en dégager les lois, afin d'obtenir cette transformation dans des
conditions optimales.
2. LES SYSTEMES THERMODYNAMIQUES :
On dénomme système thermodynamique un corps ou un nombre de corps que soit solide ou fluide
formant un ensemble bien délimité dans l’espace, c’est dans ce système qu’on étudie les échanges
énergétiques par le biais de la thermodynamique.
Le reste au sein duquel se trouve le système thermodynamique est dit milieu extérieur.
Il est à noter, que lors de l’étude d’un système thermodynamique, on ne considère pas les variations
des paramètres du milieu extérieur.
Suivant les frontières du système considéré, on distingue 3 types de systèmes,
• Système ouvert (Echange de l’énergie et de la matière)
• Système fermé (Echange de l’énergie et n’échange pas de la matière)
• Système isolé (N’échange ni d’énergie ni de matière)
Système
Frontière
Milieu extérieur

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THERMODYNAMIQUE
Un système thermodynamique peut exister sous plusieurs états ;
C’est comme pour une personne qui peut être heureuse, énervée ou triste
Mais il y a un état particulier, qu’on appelle Etat d’équilibre qui aura lieu quand les forces en
présence sont égales.
Ces forces sont des variables d’état car elles caractérisent l’état d’un système, ce sont des
grandeurs soit ;
• Intensives qui ne dépendent pas de la quantité de matière (P, T)
• Extensives qui dépendent de la quantité de matière (m, n, V)
Et pour mettre toutes ces variables d’état en lien, on a défini Equation d’état ;
. . .PV nRT=
Les fonctions d’état dépendent uniquement des états initiale et finale du système à l’équilibre.
3. TEMPERATURE ET THERMOMETRIE :
3.1. Notion de température :
Dans un gaz ou un liquide, les particules bougent en translation et en rotation. Par exemple, à un instant
donné, quelques particules ont une vitesse de 0 m/s; d’autres, plus nombreuses, ont une vitesse de 100,
200 ou 500 m/s et quelques-unes ont une vitesse de 600 m/s. On dit qu’il y a une distribution de ces
vitesses parmi les milliards de milliards de particules composant le gaz (ou liquide).
Dans un solide ou un liquide, les particules vibrent autour d’une position d’équilibre. Là aussi, certaines
particules peuvent vibrer plus vite, avec plus d’amplitude, que d’autres. La température est une expression
de ce qui se passe en moyenne avec les particules.
A basse température, les particules d’un solide vibrent peu. À haute température, les particules du même
solide vibrent plus.
A basse température, les particules d’un liquide vibrent moins, tournent et bougent en translation moins
vite qu’à haute température.
A basse température, les particules d’un gaz tournent et bougent en translation moins vite qu’à haute
température.

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THERMODYNAMIQUE
La notion de température est liée à la sensation de chaud et de froid due au sens du toucher et l’on
dit que la température d’un corps chaud est supérieure à celle d’un corps froid.
Mais ce sens ne permet pas de classer les températures des corps (par ordre croissant, par exemple),
En effet, il manque de fidélité (une même eau tiède parait froide ou chaude suivant que la main a été
préalablement sous une eau plus chaude ou plus froide, et de sensibilité (le contact de la main avec de
l’eau bouillante ou du fer porté au rouge provoque une sensation de brulure).
C’est pour éliminer cet aspect subjectif que des thermomètres ont été utilisés pour déterminer
les températures.
3.2. Thermométrie :
Un thermomètre est un corps dont nous pouvons connaitre la température par la mesure d’une grandeur x
liée à ce corps (pression, longueur, volume, résistance électrique ...) et grâce au choix arbitraire d’une
relation entre la température t et la mesure x on peut définir ce qu’on appelle « échelle thermométrique ».
3.3. Echelle thermométrique :
Une échelle thermométrique est linéaire si elle est de la forme ;
A et B sont des constantes qui sont déterminées en attribuant arbitrairement des valeurs numériques à
deux températures, appelées points fixes, que l’expérience a révélé constantes (par exemple : température
de fusion de glace et température d’ébullition de l’eau sous la pression atmosphérique normale).
Une échelle thermométrique linéaire est centésimale si les températures affectées aux deux points fixes
sont 0 et 100.
Exemples d’échelle thermométrique :
• L’échelle Celsius « °C »
• L’échelle Fahrenheit « °F »
• L’échelle de température absolue « T = t + 273,15 »
• L’échelle Rankine « °Ra »
• L’échelle Réaumur « °Re »
• L’échelle de température thermodynamique :
L’unité de température thermodynamique est le kelvin (symbole K) a été définie par la dixième
conférence des Poids et Mesures (1954) à partir des principes de la thermodynamique.
t Ax B=+

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THERMODYNAMIQUE
Pratiquement cette échelle s’identifie avec l’échelle de température absolue T dont il a été convenu de
prendre T = 273,16 K pour le point triple de l’eau (équilibre de l’eau sous les trois états : solide liquide
et vapeur).
Tableau de conversion des températures
3.4. Thermomètres :
• Thermomètre à gaz :
Une enceinte en verre ou en platine de volume compris entre 100 et 1000 cm3 est reliée à un manomètre à
mercure par un capillaire. Dans l'enceinte, on introduit un gaz à faible température de liquéfaction
(hydrogène, hélium, azote ...). Un réservoir de mercure auxiliaire permet de maintenir constant le niveau
du mercure dans la branche du manomètre en contact avec le gaz.
Le niveau du mercure dans les deux branches est déterminé avec un cathétomètre.
Pour des mesures très précises, il faut tenir compte de la dilatation de l'enceinte avec la température.
L'incertitude est de l'ordre de 0,001 K pour les meilleures mesures.
A cause du volume important du gaz le système présente une forte inertie. L'opérateur doit ajuster en
permanence le niveau de la fiole de mercure mobile pour maintenir le volume du gaz constant.
C'est un appareil difficile d'emploi réservé aux laboratoires de métrologie pour la création d'étalons
secondaires.
Thermomètre à gaz