La température
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Thermodynamique Renseignements pratiques (2000-2001): – – – – – Lundi 8h00-10h00, C 001 (manoir) www.scf.fundp.ac.be/~jpvigner/ichec/ [email protected] 081/724711 Laboratoire de physique du solide, Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix, 61 rue de Bruxelles, 5000 Namur Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe Fonctions d’états Plan du cours Définitions – – – – Énergie et transformations d’énergie Système et milieu extérieur État et variables thermodynamiques Transformation réversible et irréversible Température Premier principe Second principe Fonctions d’états Plan du cours Définitions Température – États de la matière – Principe zéro de la thermodynamique – Le gaz parfait et l’échelle des températures absolues Premier principe Second principe Fonctions d’états Plan du cours Définitions Température Premier principe – Échange d’énergie : chaleur et travail – Conservation de l’énergie interne – Transformations du gaz parfait Second principe Fonctions d’états Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe – – – – – Réversibilité et irréversibilité Rendement maximum des machines thermiques Entropie Théorème de croissance de l ’entropie Ordre et désordre Fonctions d’états Plan du cours Définitions Température Premier principe Second principe Fonctions d’états – – – – Énergie interne et enthalpie Entropie Énergie libre de Helmholtz Énergie libre de Gibbs Définitions Travail d’une force sur un trajet imposé F r B T A F r dr dr A u v u v cos uv u uv v u v 0 (angle aigu) u v 0 (perpendiculaires) u v 0 (angle obtu) B Définitions Énergie Capacité plus grande de produire un travail B altitude Capacité de produire un travail dr UB U A Énergie POTENTIELLE Poids A Capacité plus faible de produire un travail sol B U B U A A Fpoids dr Définitions Énergie Capacité de produire un travail Poussée vB B vA A Énergie CINETIQUE B WB WA A Finertie dr WB WA 1 2 W mv 2 B WB WA A Fpoussée dr Energie mécanique totale B Fpoussée Fc A WB WA AB Fc Fpoussée dr B WB WA A Fc B dr A Fpoussée dr B WA U A A Fpoussée dr WB U B Énergie TOTALE = W+U Formes spécifiques d’énergie potentielle Énergie gravifique (force de gravitation) Énergie électrique (force de Coulomb) Énergie magnétique (force champ-dipôle) Énergie chimique (forces interatomiques, d’origine électrique) Énergie nucléaire (forces faible, électrostatique) ... Energie thermique Energie d’agitation thermique au niveau moléculaire 1 mv 2 mol 2 mol Système et milieu extérieur Système ouvert fermé isolé milieu extérieur + - matière chaleur Système travail États d’un système États microscopiques d’un système – État (coordonnées, vitesses…) des molécules qui le composent États macroscopiques d’un système – État du système décrit (un petit nombre) des propriétés moyennes : variables thermodynamiques (P,T,V,r,…) Équations d ’état – PV=nRT (gaz parfait) – ensemble complet de variables La température Notion d’équilibre thermique Principe zéro de la thermodynamique Concept de température Le thermomètre à gaz parfait Échelle absolue des températures Équilibre thermique A B A B Flux d’énergie ? OUI Système A-B hors d’équilibre NON Système A-B en équilibre A et B ont atteint l’équilibre thermique Équilibre thermique A~B A « est en équilibre thermique avec » B Relation d’« équivalence » A~A Si A ~ B, alors B ~ A Si A ~ B et B ~ C, alors A ~ C PRINCIPE ZERO DE LA THERMODYNAMIQUE PARTITION DE L’ENSEMBLE A, B, C... Organisation de classes L D A C M B E F N K I G J H Numérotation des classes pour la relation d ’équilibre thermique T7 T5 T6 T1 T2 Corps de l’univers en équilibre T3 T4 Étiquette de classe : TEMPERATURE Température : caractéristique commune à un ensemble de corps qui sont tous en équilibre thermique Retenir... Température : « Etiquette » qui caractérise les corps qui sont en équilibre thermique les uns avec les autres A « est en équilibre thermique avec » B A et B ont la même température Thermomètre Utilisation Étalonnage Objet qui change d’aspect si l’on modifie sa température Doit changer de T sans (quasiment) absorber de chaleur Recherche d ’un thermomètre idéal Solide ou liquide : molécules contenant de l’énergie cinétique (mouvement) et potentielle (forces entre atomes) Gaz : molécules contenant essentiellement de l ’énergie cinétique Energie cinétique moléculaire N 1 U c mvi2 i 1 2 v1 1 2 U c N mc 2 Si l’on pose 1 N 2 c vi N i 1 2 c : vitesse quadratique moyenne v2 v3 Masse des atomes et des molécules Unité de masse atomique mC 1 uma 1,660 1027 kg 12 Atome de carbone 12 : Z=6 (6 protons, 6 électrons) A=12 (12 nucléons) m p 1.673 1027 kg mn 1.675 1027 kg me 9.111031 kg Masse atomique, masse moléculaire M 12C 12 uma M C 12,01115 uma 14C, 13C, 12C M CO2 M C 2 M O 12.01115 uma 2 15.999 uma 44.009 uma 44.009 1.660 10 27 kg 7.3079 10 26 kg M H 2 2M 2 1.008 uma 2.016 uma 1 mole Quantité de matière dont la masse, exprimée en 10-3 kg, est numériquement égale à la masse moléculaire, exprimée en uma. Exemples : Une mole de CO2 44,009 103 kg de CO2 Une mole de H 2 2,016 103 kg de H 2 Nombre de molécules dans une mole de CO2 N mole Masse d' une mole de CO2 Masse d' une molécule de CO2 N mole 44.009 10-3 kg 10-3 kg 44.009 uma 1.660 1027 kg N mole 6.02 1023 Indépendant de la nature du gaz N A 6.02 1023 : nombre d' Avogadro Thermomètre à gaz parfait « PARFAIT » : énergie purement cinétique n moles de gaz parfait nN A molécules Caractérisation de l’agitation thermique : 1 U nN A mc 2 2 Convention pour l’échelle des températures : 1 2 3 mc kT déf 2 2 k : constante précisant l’unité Changements d’ « aspect » du gaz parfait avec la température Pression d’un gaz parfait sur les parois d’un récipient • Énergie uniquement cinétique: pas de force d’interaction • Temps de collisions négligeable n moles volume V=lxlylz • Collisions uniformisent la distribution des énergies Calcul de la pression p nN A f f S Force résultant d’une collision moléculaire sur la paroi frappée Force sur la molécule F t f (mcx ) (mcx ) 2mcx Force sur la paroi lzly 2mcx f t durée d' un impact moléculair e durée d' un aller - retour 2l x Calcul de la pression (2) f p nN A p c f S 2 1 nN A mcx2 V 2 2 c x2 c 2y cx2 c 2y c z2 2mcx 2mc x p nN A l z l y mc x2 p nN A l xl y l z p c z2 1 c x2 c 2 3 2l x cx 2n 1 N A mc 2 3V 2 Mesure de la température via la pression du gaz parfait 1 2 3 mc kT déf 2 2 2n 1 2 p N A mc 3V 2 p n n N AkT V p V pV kT nN A pV nRT Unité sur l’échelle de température pV kT nN A Posons : défini k 1.38 10 23 JK 1 R N Ak 8.31 JK 1mole 1 On obtient l’échelle de température absolue, ou échelle Kelvin Repère expérimental nN k p A T V Point triple Eau Gaz Parfait même pression même température p 611 Pa ( Nm 2 ) T 273.16 K déf n N k p 611 2.2368 V A T 273.16 V N Ak 6.022 1023 1.3806 10-23 3.7171 m3mole 1 n 2.2368 2.2368 Diagramme d’état de l’eau Conditions normales T0 273,16 K pV nN AkT0 n 2271.19 p 611 Nm 1 V 2271.19 3.7172 m3mole 1 n 611 p0 101300 Nm 1 V 2271.19 0.0224 m3mole 1 (22.4 litre mole 1 ) n 101300 Autres échelles de température tc T 273.15 (C) 9 t F 32 tc (F) 5 zéro absolu 273.15 (C) zéro absolu 459.67 (F) Ne pas utiliser en physique!
