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Thermodynamique classique Julien Bobroff
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Thermodynamique Classique
Julien Bobroff, Magistère de Physique d’Orsay, 2008
Tel : [phone] email : [email protected]
www.lps.u-psud.fr/Collectif/gr_04 et www.vulgarisation.fr

Thermodynamique classique Julien Bobroff
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INTRODUCTION................................................................................................................................. 9
I. QUELQUES DEFINITIONS UTILES....................................................................................... 11
A. LA LIMITE THERMODYNAMIQUE ................................................................................................ 12
B. EQUILIBRE THERMIQUE ET FONCTIONS D'ETAT........................................................................ 12
C. GRANDEURS INTENSIVES ET EXTENSIVES .................................................................................. 13
D. LES DIFFERENTS TYPES DE CONTRAINTES ................................................................................. 13
E. LES DIFFERENTES PAROIS :......................................................................................................... 13
F. LES DIFFERENTES TRANSFORMATIONS ...................................................................................... 14
G. LES DIFFERENTS DIAGRAMMES.................................................................................................. 14
II. LES PRINCIPES ........................................................................................................................ 15
A. LE PREMIER PRINCIPE................................................................................................................. 16
1. L’ENERGIE INTERNE U ................................................................................................................... 16
2. LE TRAVAIL.................................................................................................................................... 16
3. PREMIER PRINCIPE : LA CONSERVATION DE L’ENERGIE ................................................................. 19
4. DIFFERENTIELLES EXACTES OU NON.............................................................................................. 20
5. QU’EST-CE QUE LA CHALEUR ET LE TRAVAIL ? ............................................................................. 23
6. EXERCICES SUR LE PREMIER PRINCIPE ........................................................................................... 24
B. L’ENTROPIE ET LE SECOND PRINCIPE ........................................................................................ 26
1. LE SECOND PRINCIPE A PARTIR DES POSTULATS ............................................................................ 26
2. LE SECOND PRINCIPE « TRADITIONNEL » ....................................................................................... 27
3. L’ENTROPIE DU POINT DE VUE DE LA PHYSIQUE STATISTIQUE ...................................................... 28
4. LA CHALEUR , T, P, μ ET LES EQUILIBRES ...................................................................................... 34
5. AUTRES FORMULATIONS ................................................................................................................ 39
6. COMMENT MESURER UNE TEMPERATURE ? ................................................................................... 43
7. LES COEFFICIENTS THERMIQUES .................................................................................................... 47
8. EQUATIONS D’EULER ET DE GIBBS-DUHEM .................................................................................. 53
C. RESUME DES EQUATIONS ET STRATEGIES.................................................................................. 54
III. LE GAZ PARFAIT................................................................................................................... 58
A. VITESSE DES MOLECULES DANS UN GAZ PARFAIT ..................................................................... 59
B. LOI DES GAZ PARFAITS ................................................................................................................ 62
C. ENERGIE INTERNE....................................................................................................................... 65
D. ENTROPIE ET EQUATION FONDAMENTALE ................................................................................ 67
E. COEFFICIENTS THERMIQUES POUR UN GAZ PARFAIT, UN LIQUIDE OU UN SOLIDE.................. 66
F. TRANSFORMATIONS DE GAZ PARFAITS....................................................................................... 68
G. EXERCICES SUR LA LOI DES GAZ PARFAITS ............................................................................... 69
IV. LES FLUIDES REELS............................................................................................................. 74
A. GAZ NON PARFAIT : LE DEVELOPPEMENT DU VIRIEL ............................................................... 76
B. GAZ NON PARFAIT : MODELE DE VAN DER WAALS.................................................................... 79
C. LES DETENTES.............................................................................................................................. 80
1. DETENTE DE JOULE (OU JOULE-GAY LUSSAC) .............................................................................. 81
2. DETENTE ISOTHERME .................................................................................................................... 82

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3. DETENTE DE JOULE-THOMSON OU JOULE-KELVIN : ..................................................................... 83
D. LES LIQUIDES ............................................................................................................................... 83
V. TRANSFORMATIONS ET MACHINES THERMIQUES.................................................... 85
A. REVERSIBILITE ET PROCESSUS QUASISTATIQUES ..................................................................... 86
B. PARADOXES ET QUESTIONS PHILOSOPHIQUES LIES A L’ENTROPIE ET L’IRREVERSIBILITE ... 89
1. LE DEMON DE MAXWELL ............................................................................................................... 89
2. LA MORT THERMIQUE DE L’UNIVERS ............................................................................................ 92
3. LE MOUVEMENT BROWNIEN ...........................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
4. LE SENS DU TEMPS ......................................................................................................................... 89
C. QUELQUES TRANSFORMATIONS TYPIQUES ................................................................................ 92
1. EXPANSION ISOTHERME D’UN GAZ PARFAIT .................................................................................. 92
2. EXPANSION ADIABATIQUE D’UN GAZ PARFAIT .............................................................................. 92
D. LES MACHINES THERMIQUES ..................................................................................................... 94
1. LES REPRESENTATIONS .................................................................................................................. 95
2. CYCLE DE CARNOT ........................................................................................................................ 96
3. GENERALISATION A UN CYCLE QUELCONQUE ............................................................................. 103
4. D’AUTRES CYCLES EN PHASE GAZEUSE ....................................................................................... 104
5. CYCLES DIPHASIQUES .................................................................................................................. 108
6. RENDEMENT D’UN MOTEUR ............................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
VI. POTENTIELS THERMODYNAMIQUES........................................................................... 117
A. L’ENERGIE LIBRE DE HELMOLTZ F.......................................................................................... 118
1. DEFINITION ET SENS PHYSIQUE .................................................................................................... 118
2. UTILISATION ...................................................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
3. ANNEXE MATHEMATIQUE : LES TRANSFORMATIONS DE LEGENDRE........................................... 119
B. L’ENTHALPIE H.......................................................................................................................... 121
1. DEFINITION ET SENS PHYSIQUE .................................................................................................... 121
2. UTILISATION DE L’ENTHALPIE : DETENTE DE JOULE-THOMSON.................................................. 121
3. LIQUEFACTION DES GAZ............................................................................................................... 125
C. L’ENERGIE LIBRE DE GIBBS G (OU ENTHALPIE LIBRE)........................................................... 127
1. DEFINITION ET SENS PHYSIQUE .......................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
2. APPLICATION : REACTIONS CHIMIQUES ....................................................................................... 128
3. APPLICATION : LA BULLE DE SAVON ............................................................................................ 128
D. L’ENERGIE LIBRE DE LANDAU Ω OU GRAND POTENTIEL ....................................................... 131
E. RESUME ...................................................................................................................................... 132
F. RELATIONS DE MAXWELL......................................................................................................... 132
VII. TRANSITIONS DE PHASE ................................................................................................. 135
A. CONDITIONS DE STABILITE ....................................................................................................... 136
B. LE PRINCIPE DE LECHATELIER-BRAUN................................................................................... 137
C. TRANSITIONS DU 1ER ORDRE .................................................................................................... 138
1. UN EXEMPLE : UN GAZ DE VAN DER WAALS................................................................................ 138
2. LA TRANSITION DE PHASE ET LE POTENTIEL DE GIBBS ................................................................ 141
D. CLASSIFICATION DES TRANSITIONS DE PHASE ..............................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
E. PHENOMENES CRITIQUES.......................................................................................................... 142
VIII. ETATS ET EQUILIBRES D'UN CORPS PUR ................................................................ 145

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A. EQUILIBRES D’UN CORPS PUR SOUS PLUSIEURS PHASES.......................................................... 147
1. LES DIFFERENTS EQUILIBRES POSSIBLES...................................................................................... 147
2. LE CAS PARTICULIER DE L’EAU.................................................................................................... 156
3. LA CHALEUR LATENTE OU ENTHALPIE DE TRANSITION DE PHASE............................................... 157
4. CLASSIFICATION DES TRANSITIONS DE PHASE ............................................................................. 160
B. EQUILIBRES ENTRE PLUSIEURS CORPS, EQUILIBRES CHIMIQUES ........................................... 161
1. COEXISTENCE DE CORPS PURS SANS REACTION CHIMIQUE .......................................................... 161
2. COEXISTENCE DE CORPS PURS AVEC REACTION CHIMIQUE ......................................................... 162
IX. DIFFUSION ET PHENOMENES DE TRANSPORT ......................................................... 163
A. TRAITEMENT DES COLLISIONS.................................................................................................. 164
B. DIFFUSION DE PARTICULES ....................................................................................................... 166
1. LOI DE FICK.................................................................................................................................. 166
2. EQUATION DE LA DIFFUSION ........................................................................................................ 167
C. CONDUCTIVITE ELECTRIQUE.................................................................................................... 168
D. DIFFUSION DE CHALEUR............................................................................................................ 168
E. VISCOSITE................................................................................................................................... 172
F. AFFINITES ET FLUX .................................................................................................................... 173
G. EFFETS THERMOELECTRIQUES ......................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
X. LES BASSES TEMPÉRATURES........................................................................................... 179
A. TROISIÈME PRINCIPE ET CONSÉQUENCES................................................................................ 180
B. COMMENT PRODUIRE ET MESURER T A BASSE TEMPERATURE ? ........................................... 182
1. FAIRE S'EVAPORER LE LIQUIDE .................................................................................................... 182
2. CRYOSTAT A HELIUM 3................................................................................................................. 183
3. REFRIGERATEUR A DILUTION ....................................................................................................... 183
4. DESAIMANTATION ADIABATIQUE................................................................................................. 183
XI. ELECTROMAGNETISME ET THERMODYNAMIQUE................................................. 184
XII. LES STATISTIQUES QUANTIQUES................................................................................ 187
BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................................ 189
FORMULAIRE................................................................................................................................. 190

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PROGRAMMESD'AGREGATION