Thermodynamique Classique - Groupe des Sciences de l`Atmosphère

Thermodynamique Classique
Eva Monteiro, 2008
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Thermodynamique Classique
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Thermodynamique Classique
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Table de matières
Table de matières.............................................................................................................. 3
Objet de la thermodynamique de l'atmosphère............................................................. 5
La thermodynamique....................................................................................................... 5
Notions fondamentales.................................................................................................... 5
Concepts fondamentaux de la thermodynamique........................................................... 6
Définition des variables thermodynamiques fondamentales ...................................... 9
Procédés thermodynamiques .................................................................................... 10
Fonction d'état........................................................................................................... 11
L'équation d'état............................................................................................................ 11
Les gaz parfaits ............................................................................................................... 12
Gaz parfait..................................................................................................................... 12
Mélanges de gaz parfaits............................................................................................... 13
Premier principe de la thermodynamique ou de la conservation de l'énergie.......... 16
La loi de la conservation et de la transformation d'énergie .......................................... 16
Démarche de la thermodynamique classique................................................................ 16
Énergie interne.............................................................................................................. 17
Notion de travail et chaleur........................................................................................... 18
Principe de conservation d'énergie: énoncé mathématique .......................................... 20
Chaleur spécifique. Enthalpie....................................................................................... 21
Les principales transformations thermodynamiques de l'air atmosphérique................ 26
Les transformations isobares..................................................................................... 26
Les transformations adiabatiques.............................................................................. 27
Température potentielle................................................................................................ 29

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Changement de la température potentielle pendant un procédé quelconque............ 30
Deuxième principe de la thermodynamique................................................................. 31
Processus spontané et entropie...................................................................................... 31
Deuxième principe de la thermodynamique. Approche macroscopique...................... 32
Formes de la deuxième loi de la thermodynamique:.................................................... 33
Influence de la température sur la spontanéité.............................................................. 34
Expression de la deuxième loi à température et pression constantes............................ 36
Transformations de phase.............................................................................................. 37
Vaporisation et condensation........................................................................................ 38
Conditions d'équilibre entre les phases d'une substance chimiquement homogène..... 39
États métastables........................................................................................................... 42
Sursaturation et surfusion ......................................................................................... 42
Références........................................................................................................................ 44

Thermodynamique Classique
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Objet de la thermodynamique de l'atmosphère
Prise dans son acceptation la plus générale, la thermodynamique de l'atmosphère a pour
objectif d'expliquer les phénomènes météorologiques où de la chaleur et du travail
entrent en jeu. Ainsi définie, cette branche de la physique de l'atmosphère comprend deux
grandes parties:
1) l'étude des transformations d'énergie dans l'atmosphère;
2) l'étude des changements de phase d'eau dans l'atmosphère.
Dans ce cours, nous nous sommes surtout attachés à l'étude des changements de phase de
l'eau et à celle des transformations énergétiques que ces changements entraînent. Ici, nous
nous limiterons à l'étude de la thermodynamique classique, qui considère la matière
comme un milieu continu, en faisant abstraction du caractère discret de la matière. De
plus, nous ne traiterons que de la partie classique de cette étude, c'est-à-dire celle où les
phénomènes de surface et d'adsorption n'entrent pas en jeu.
La thermodynamique
La thermodynamique est une collection de concepts et équations qui décrit l'expérience
accumulée par l'observation des processus physiques où on observe des flux de chaleur et
des variations d'énergie ainsi que la transformation d'une forme d'énergie en une autre.
C'est une science où certains concepts sont ambigus, principalement parce que les
explications des faits expérimentaux ont précédé la formulation d'une théorie
mathématique de la matière, et que ces explications ont souvent été mal interprétées.
Le même problème existait en mécanique avant que les lois de Newton ne mettent de
l'ordre dans cette science. Newton et Galilée ont fait abstraction de l'expérience de tous
les jours et ont réussi à dégager des lois générales du mouvement. Les lois de Newton
constituent les postulats utilisés dans le développement de la théorie des propriétés
mécaniques du mouvement atmosphérique.
De façon analogue, la thermodynamique s'est dotée de lois ou de principes qui permettent
le développement logique et mathématique de la théorie thermodynamique.
Notions fondamentales
On utilise, pour l'étude théorique des propriétés de la matière, deux méthodes qui se
complètent mutuellement: la méthode statistique et la méthode thermodynamique.
1) La méthode statistique consiste à étudier les propriétés des systèmes macroscopiques
à l'aide de méthodes de statistique mathématique, en se fondant sur les lois de
l'agitation thermique d'un grand nombre de particules microscopiques formant ce
système.