thermodynamique - Centre de recherches mathématiques
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Thermodynamique Phs 2101 Automne 2000 http://www.crm.umontreal.ca/~physnum 1 Thermodynamique - PHS 2101 Jean-Marc Lina Centre de Recherches Mathematiques, Univ. De Montréal contact: [email protected] Références: THERMODYNAMIQUE appliquée de Van Wylen, Sonntag et Desrochers (ERPI,1992) Notes de cours PHS 2101 (M. Amram, Polytech.) 2 Thermodynamique - PHS 2101 J.M. Lina Évaluation: •1 examen intra. (40%, 2h.) au bout de 7-8 semaines •1 examen final (60%). Toute la matière. Plan du cours: 1.Introduction et principe « zéro » (3 heures, cumul=3) systèmes thermodynamiques, équilibre thermodynamique, température empirique, variables et fonctions thermodynamiques, échanges et transformations, énergie. 3 Thermodynamique - PHS 2101 J.M. Lina 2.Systèmes simples (3 heures, cumul=6) Phases et transitions, variables thermodynamiques et espace des phases, surfaces thermodynamiques. 3.Chaleur (3 heures, cumul=9) Notion de travail, évolution quasi-statique des systèmes, frontières mobiles, distinction entre travail et chaleur. 4.Premier principe (4 heures, cumul=13) Évolution dans l’espace des phases, cycles, changement d’état, énergie interne et enthalpie d’un système, loi de conservation, énoncés du Premier Principe. 4 Thermodynamique - PHS 2101 J.M. Lina 5.Second Principe (3 heures, cumul=16) Machines thermiques, évolutions réversibles, cycles de Carnot, rendement. 6.Entropie I (3 heures, cumul=19) Inégalité de Clausius, variations d ’entropie. 7.Entropie II (4 heures, cumul=23) Le principe d ’accroissement d ’entropie; entropie d ’un liquide, d ’un solide, d ’un gaz parfait. (consulter la suite dans le plan de cours) 5 Thermodynamique - PHS 2101 J.M. Lina 1. Introduction et « Principe zéro » La notion d énergie devient fondamentale avec la révolution industrielle de la fin du 19iem siècle. Elle est à la base de la thermodynamique mais elle hérite des travaux (controverses) sur la chaleur (la théorie du calorique). Il y aura deux grandes écoles : les mécanistes (forces, quantité de mouvement,…) et les « énergetistes » qui font la promotion du point de vue purement énergétique. Finalement, ces deux options se complètent. 6 Thermodynamique - PHS 2101 J.M. Lina Quelques « pères fondateurs »: • T. Young (1773-1829) • C. Rumford (travaux 1798) • J. Fourier (travaux 1822) • S. Carnot (1796-1832) • J.C. Maxwell (1831-1879) • J.P. Joule (travaux 1850) • R. Clausius (1822-1888) • W.J. Rankine (1820-1872) • L. Boltzmann (1844-1906) S. Carnot R. Clausius 7 Thermodynamique - PHS 2101 J.M. Lina Qu ’est-ce qu ’un système thermodynamique ? D ’une façon très générale: une portion d ’univers bien identifiée et délimitée par une frontière étanche (un thermos), poreuse (céramique) ou imaginaire (nuage). Le plus important: pouvoir décrire les échanges (interactions) entre le système étudié et le milieu extérieur (autre système ou le reste de l ’univers). 8 Thermodynamique - PHS 2101 J.M. Lina Notion de taille (échelle) des systèmes. 3 grandes catégories à distinguer: a) Microscopique : molécules, atomes, particules,… description essentiellement mécanique (classique et quantique) mais aussi par la théorie des champs continus qui s ’inspire de la thermodynamique. b) Macroscopique : masse gazeuse, cristal, réacteur thermique, réacteur nucléaire,… La mécanique seule ne peut rendre compte de la physique du grand nombre de constituants élémentaires. 9 Thermodynamique - PHS 2101 J.M. Lina c) Astronomique : étoile, galaxie,trous noirs,… Les interactions gravitationnelles sont dominantes. Les systèmes sont fortement inhomogènes. Les effets relativistes sont présents... D ’une façon générale, la thermodynamique est présente dans les trois catégories mais la thermodynamique classique porte sur les systèmes macroscopiques. Les constituants interagissent entre eux sur des distances beaucoup plus petites que la taille du système étudié. 10
