Thermodynamique - lycée Alpes et Durance

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ère
année BTS SCBH
Sandrine Cerantola LP Alpes et Durance Page 1/ 8
Thermodynamique : les fondamentaux
Extrait du programme
Thermodynamique : fondamentaux
Notions et contenus Capacités exigibles
Énergie interne U d’un système
Vocabulaire et définitions : système, état
d’équilibre, variables d’état, divers types
de transformations.
Premier principe de la
thermodynamique.
Identifier les grandeurs physiques caractérisant l'état d'un système.
Établir un bilan d’énergie lors d’un transfert thermique ou d'un travail entre deux systèmes en phase condensées.
Exploiter le premier principe de la thermodynamique dans des cas simples.
La thermodynamique est l’étude de l’énergie. C’est la science des transformations.
1. Système thermodynamique
1.1 Système ouvert
1.2 Système fermé
1.3 Système isolé
1.4 Équilibre thermodynamique
2 Variables d’état
2.1 Les paramètres intensifs
2.2 Les paramètres extensifs
2.3 La pression
2.4 La température
2.5 Équation d’état
3. Transformation d’un système thermodynamique
3.1 Notion de transformation
3.2 Transformation réversible
3.3 Transformation isobare
3.4 Transformation isochore
3.5 Transformation isotherme
3.7 Transformation adiabatique
3.8 Transformation cyclique
4. L’énergie…qu’est ce que c’est ?
4.1 Convention de signe des échanges d’énergie
4.2 Énergie et puissance
4.3 Différentes formes de l’énergie
4.3.1 L’énergie cinétique
4.3.2 L’énergie potentielle
5. Les échanges d’énergie sous forme de travail
5.1 Travail de force mécanique
5.2 Travail de pression
5.3 Travail électrique
6. Les échanges d’énergie sous forme de chaleur
7. Le premier principe de la thermodynamique

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1. Système thermodynamique
C’est une portion de l'univers que l'on isole par la pensée du reste de l'univers que l'on baptise alors milieu
extérieur.
C’est un ensemble de corps limité par une surface (Σ) (réelle ou fictive) à travers laquelle se font les
échanges d’énergie et de matière avec l’extérieur.
1.1 Système ouvert
Un système thermodynamique est ouvert lorsqu’il échange de l’énergie et de la matière avec l’extérieur.
Exemple : un ballon qui se dégonfle.
1.2 Système fermé
Un système thermodynamique est fermé s’il échange de l’énergie mais pas de matière avec l’extérieur.
Exemple : une bouillote
1.3 Système isolé
Un système thermodynamique est isolé lorsqu’il échange ni énergie ni matière avec l’extérieur.
Exemple : un vase de wear ou un calorimètre ou un thermos
1.4 Équilibre thermodynamique
Un système thermodynamique est en équilibre thermodynamique s’il est à la fois en équilibre thermique,
mécanique et chimique. Principe zéro de la thermodynamique.
2 Variables d’état
On a besoin de variables pour décrire l’état d’un système appelées paramètres ou variables d’état.
Pour les fluides (qui prennent la forme du récipient qui les contient) on utilisera la pression (notée p), le
volume (noté V) et la température (notée T).
2.1 Les paramètres intensifs
Ils ne dépendent pas de la taille du système ie de la quantité de matière (n en mol).
Si on associe deux systèmes identiques pour en obtenir un plus grand, leurs valeurs restent inchangées.
Exemple : T ;p ;d ;Cm ;Cv ;Vm…
2.2 Les paramètres extensifs
Ils dépendent de la taille du système.
Si on associe deux systèmes identiques pour en obtenir un plus grand, leurs valeurs seront multipliées par
deux.
Exemple : V ; m ;n ;E…
Exemple : si on mélange deux bouteilles contenant 1L d’eau chacune, à la température de 20 °C, la
température finale est 20 °C et non pas 40 °C. Il en serait de même avec la pression qui restera la même. En
revanche, le volume V final sera égal à 2 L, et la quantité de matière globale sera doublée.
Calculer la quantité de matière contenue dans 2L d’eau pure.
système
(Σ)
extérieur

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2.3 La pression
Il s’agit d’une notion de mécanique. C’est « une force divisée par une surface ».
La pression est le coefficient de proportionnalité entre la force et la surface :
ǁ 
 ǁ
= p × S
Cela ne dépend pas de la direction de la force. Attention ne pas confondre pression et force de pression !
p est un scalaire, son unité est donc le N.m
−2
ie le Pa.
Il existe d’autres unités :
1bar = 10
5
Pa
1 atm = 1,013 × 10
5
Pa = 760 mm de Hg
1 torr = 1 mm de Hg = 133,33Pa
La mesure de la pression se fait à l’aide d’un baromètre.
Expérience de Torricelli.
2.4 La température
Attention à l’ambiguïté chaleur / température.
Nous sommes tous capables de dire « comment un corps est chaud ou froid » mais le succès du XIX° siècle
est d’avoir donné une définition de la température absolu d’un corps. Cette définition conduit à la création
de l’échelle Kelvin. Sur cette échelle la température minimale pour tous les corps est le zéro absolu soit 0 K
ou encore -273,15°C. Le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse exister ; elle correspond à
l'absence d'agitation thermique, mais elle est inaccessible.
L’échelle Celsius est construite par rapport à la température de fusion de l’eau à 0°C et la température
d’ébullition de l’eau à 100°C
Il existe aussi l’échelle Fahrenheit telle que T(°F) = 1,8 T(°C) + 32
• Donner la position du point de fusion de l’eau sur cette échelle et celle du point d’ébullition.
2.5 Équation d’état.
À l’état d’équilibre, ces trois variables n’évoluent pas sans intervention extérieur.
Ce qui a de l’intérêt pour le physicien c’est la relation qui relie les variables d’états appelée ÉQUATION
D’ÉTAT D’UN FLUIDE.
La pression p sera donnée en pascal Pa (1bar = 10
5
Pa = 1atm)
Le volume V sera donnée en mètre cube m
3
(1m
3
= 1000L)
La température sera donnée en kelvin K (0K = − 273°C)…
3. Transformation d’un système thermodynamique
Une intervention extérieur fait évoluer un système en équilibre thermodynamique : on dit qu’il subit une
transformation d’un état A (défini par p
A
;V
A
;T
A
) à un état B(défini par p
b
;V
B
;T
B
)
3.1 Transformation irréversible
Lorsque l’évolution est brutale la transformation est dite irréversible. On ne peut donc appliquer l’équation
d’état qu’à l’état initial et à l’état final. (Éléphant)
3.2 Transformation réversible
Elle se résume à une suite continue d’états d’équilibres voisins et si l’évolution inverse est possible.
En réalité, les transformations réversibles ne doivent être considérées que comme des modèles vers lesquels
tendent les transformations lorsque les effets de frottements cause d’irréversibilité, peuvent être considérées
comme négligeables ! (Souris)

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3.3 Transformation isobare
C’est une transformation qui a lieu à pression constante.
(Exemple : réaction chimique dans un tube à essai, le système est en contact avec la pression atmosphérique)
3.4 Transformation isochore
C’est une transformation qui a lieu à volume constant.
(Exemple : récipient indilatable et inextensible : bouteille métallique avec gaz)
3.5 Transformation isotherme
C’est une transformation qui a lieu à température constante
(Exemple : réaction chimique dans un tube à essai avec bain marie)
3.6 Transformation adiabatique
C’est une transformation au cours de laquelle il n’y a pas d’échange de chaleur Q
A→B
= 0.
C’est un cas limite idéal mais on peut s’en approcher avec un vase Dewar (ou calorimètre)
(Exemple : explosion d’un mélange air/essence dans un moteur à explosion il n’y pas le temps d’avoir des
échanges thermiques avec le milieu extérieur)
3.7 Transformation cyclique
Un système thermodynamique subit une transformation cyclique quand l’état initial du système (état A)
coïncide à l’état final du système (état B).
On dit que le système subit un cycle.

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4. L’énergie…qu’est ce que c’est ?
Extrait du livre : Précis de physique-Chimie de Pierre-François Thomas édition Bréal