D systemes

Plan du cours
• Introduction
• Notions de mécanique : force, énergie, travail, puissance…
• Température et chaleur
• Systèmes, transformations et échanges
thermodynamiques
• Premier principe de la thermodynamique
• Second principe de la thermodynamique
• Brève introduction aux probabilités et à la statistique
• Notions élémentaires de mécanique statistique
• Théorie de l’information
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Systèmes
La thermodynamique distingue :
• le système, qui regroupe l’ensemble des corps étudiés et
qui est décrit par des variables d’état,
• le milieu extérieur, le reste de l’univers.
Le système est dit à l’équilibre lorsque ses variables d’état
ne subissent aucune variation ; dans le cas contraire, il subit
une transformation. Toute transformation fait passer le
système d’un état d’équilibre à un autre état d’équilibre.
Au cours d’une transformation, le système peut échanger de
la chaleur, du travail ou de la matière avec le milieu
extérieur.
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Systèmes
Selon le type d’échanges considérés, on classe les systèmes
en :
• système ouvert : il y a possibilité d’échange de chaleur, de
travail et de matière avec le milieu extérieur.
• système fermé : il n’y a pas d’échange de matière.
• si de plus il n’y a pas d’échange de travail, on parle de
système mécaniquement isolé.
• s’il n’y a pas d’échange de chaleur, il s’agit d’un
système thermiquement isolé.
• système isolé : aucun échange n’est permis avec l’extérieur.
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Convention de signe
Les quantités de chaleur, travail ou matière apportées au
système sont comptées positivement.
Les quantités de chaleur, travail ou matière perdues par le
système sont comptées négativement.
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Transformations
Transformation ouverte : au cours de cette transformation, le
système évolue d’un état d’équilibre vers un état d’équilibre
différent.
Transformation fermée ou cycle : l’état final est identique à
l’état initial.
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Travail
Le seul travail considéré est celui exercé sur le système par
le milieu extérieur.
Pour la thermodynamique, il s’agit d’une forme de transfert
d’énergie où la température n’entre pas directement en jeu.
Pour la mécanique statistique, il s’agit d’un transfert
ordonné d’énergie, qui résulte en un mouvement cohérent
des atomes du système.
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Travail : exemple (1)
Considérons une enceinte dont le volume diminue sous
l’action d’une force extérieure.
v1
v0
+
dv
dl
F
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Travail : exemple (1)
La force est égale au produit de la pression et de l’aire de la
surface à laquelle elle s’applique :
F  pext A
Le travail est donné par :
W  pext A dl   pext dv

 dv
On vérifie que les signes correspondent à la définition du
travail et à la convention concernant les échanges.
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Travail : exemple (2)
Considérons une enceinte dont le volume s’accroît, contrarié
par l’action d’une force extérieure.
v0
+
pext
v1
dv
dl
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Travail : exemple (2)
La force est égale au produit de la pression et de l’aire de la
surface à laquelle elle s’applique :
F  pext A
Le travail est donné par :
W   pext A dl   pext dv

dv
On vérifie que les signes correspondent à la définition du
travail et à la convention concernant les échanges.
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Travail
Quel que soit le sens de la variation de volume, le travail
élémentaire est donné par :
W   pext dv
Si la pression extérieure est constante, on trouve
W01   pext v1  v0 
Sinon il convient d’intégrer
v1
W01    pext dv
v0
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Chaleur
Pour la thermodynamique, il s’agit généralement d’une
forme de transfert d’énergie liée à une différence de
température.
Pour la mécanique statistique, il s’agit d’un transfert
désordonné d’énergie, qui ne produit aucun mouvement
cohérent des atomes du système.
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Travail et chaleur
Travail et chaleur sont des grandeurs associées à une
transformation : leur valeur varie selon le chemin suivi pour
aller de l’états initial à l’état final.
Ce ne sont pas des fonctions d’état, ni même des variations
de fonctions d’état.
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Transformations réversibles
Transformations irréversibles
Une transformation réversible est une transformation idéale
susceptible d’un traitement mathématique complet. Les
transformations réelles sont irréversibles.
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Transformations réversibles
Une transformation réversible
• résulte d’une cause infinitésimale et se déroule à vitesse
nulle en passant par une succession d’états d’équilibre ;
• démarre en sens inverse si la cause change de sens, tout en
restant infinitésimale ;
• ne modifie pas le milieu extérieur si elle est cyclique.
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Transformations irréversibles
Une transformation irréversible
• résulte d’une cause finie et se déroule à vitesse finie, seuls
les états initial et final sont des états d’équilibre ;
• elle possède une direction définie, un changement
infinitésimal de la cause n’en renverse pas le sens ;
• amène des modifications au milieu extérieur, même si elle
est cyclique.
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