Chapitre 2 : Equilibre thermodynamique

Chapitre 2 : Equilibre thermodynamique
1. Equilibre thermique
• Exemple : verre d’eau chaude
T0
T0
t
T > T0
T = T0
• Equilibre thermique : égalité des températures
• Equilibre thermique implique un échange d’énergie
• L’échange d’énergie peut se produire selon divers processus physiques :
- conduction (collisions entre particules)
- convection (déplacement de fluides)
- radiation (transport par ondes éléctromagnétiques)
- changement d’état (modification de la densité)
• Conduction : collisions entre particules (électrons)
∆U
A
P =
= κ ∆T
∆t
d
conductivité thermique
A
d
voir loi de Fourier plus loin.
• Convection : déplacement de fluides (brassage)
effet de la température sur la densité du fluide.
• Radiation : transport d’énergie par ondes éléctromagnétiques
∆U
P =
= eσA(T 4 − T04 )
∆t
basé sur le corps noir
σ = 5.6 10−8 W/m2 K4
[constante de Stefan]
voir corps noir en BAC 3
• Changement d’état : évaporation
mL
P =
∆t
chaleur latente si variation de densité
voir chaleur latente plus loin
2. Equilibre mécanique
• Exemple : détente d’un piston
∆V
p > p0
t
p0
p = p0
• Equilibre mécanique : égalité des pressions
• Equilibre mécanique implique un échange de volume
travail : W = −p0 ∆V
[signe]
p0
3. Equilibre osmotique
• Exemple : goutte d’encre dans un verre d’eau
encre
t
eau
µencre != µeau
µencre = µeau
• Equilibre osmotique : égalité des potentiels chimiques
• Equilibre osmotique implique un échange de matière
• Sans agitation du fluide, il faut attendre longtemps
pour que l’équilibre osmotique s’établisse.
4. Equilibre thermodynamique
• Définition : Un équilibre thermodynamique est atteint
lorsqu’il y a équilibre thermique, mécanique et osmotique.
???
équilibre
• La thermodynamique est donc restrictive car situations idéalisées.
???
• La thermodynamique ne donne aucune information sur la durée
des phénomènes observés.
∆t
5. Principe zéro
• Si un système est à l’équilibre, toutes ses parties le sont également.
• La notion d’équilibre est donc transitive :
TB = T C
A
B
TA = TB
C
TA = TC
A
C
6. Variables thermodynamiques
• Quels sont les paramètres utiles pour établir un formalisme en thermo ?
3 équilibres
3 paramètres U, V, N
• Les trois variables primitives suffisent : U, V, N
• Ces trois variables primitives sont extensives,
elles sont conjuguées aux variables intensives de l’équilibre.
U
V
N
T
p
µ
• A l’équilibre et uniquement à l’équilibre :
U, V, N
A
B
C
UA + UB + UC = U
additivité des variables extensives
V A + VB + V C = V
NA + NB + NC = N
T A = TB = T C = T
égalité des variables intensives
p A = pB = pC = p
µA = µB = µC = µ
7. Remarques sur l’énergie interne
• Energie totale d’un système : E = Epot + Ecin + U
mécanique
macroscopique
microscopique
• U est lié à la nature microscopique du système :
- énergie cinétique des particules (agitation thermique)
- énergie potentielle d’interaction entre paires de particules
• U ne fait intervenir que des forces conservatives.
• Il est impossible de mesurer U mais !U peut être déterminé.
• Extensivité de U : attention aux forces interparticulaires.