PHY-2003 : Physique de la chaleur -

Faculté des sciences et de génie
Département de physique, de génie physique et d'optique
PLAN DE COURS
PHY-2003 : Physique de la chaleur
NRC 82153 | Automne 2016
Préalables : PHY 1001 ET PHY 1003 ET PHY
1004
Mode d'enseignement : Présentiel
Temps consacré : 3-1-5
Crédit(s) :
3
Introduction à la thermodynamique classique. L'accent est mis sur les fonctions et les variables que sont l'énergie, l'entropie, la chaleur et
le travail, sans compter la pression, le volume et la température. Conséquences des deux lois de la thermodynamique, en particulier lors
des transformations et des cycles qui modélisent les machines thermiques. Introduction aux potentiels et à leur signification, ainsi qu'aux
gaz réels et aux changements de phase. Approche simplifiée à l'origine microscopique des concepts macroscopiques de la
thermodynamique, par la distribution de Maxwell, le facteur de Boltzmann, le déséquilibre et les transferts.
Plage horaire
Cours en classe
mardi
13h30 à
15h20
VCH-3830
Du 6 sept. 2016 au 16 déc.
2016
jeudi
12h30 à
13h20
VCH-3830
Du 6 sept. 2016 au 16 déc.
2016
Il se peut que l'horaire du cours ait été modifié depuis la dernière synchronisation avec Capsule. Vérifier l'horaire dans Capsule
Le développement de la thermodynamique est dû à l'émergence des machines à vapeur à la fin du XVIII e siècle mais s'est fait surtout au
XIXe siècle. Il est remarquable qu'il reste d'intérêt, alors que les efforts se concentrent aujourd'hui sur les modèles donnant une base
microscopique aux mécanismes thermodynamiques et de transport (hors d'équilibre). D'abord essentiellement empirique et à objectifs
très pratiques, l'étude de la chaleur en physique s'est avérée une très riche source de concepts physiques nouveaux et deviendra (sous le
nom de thermodynamique ou physique statistique) la seule méthode qui nous permette d'étudier systématiquement les systèmes
complexes (composés d'un grand nombre de constituants). Un cours de thermodynamique est un cours charnière. Il changera votre
vision, votre compréhension de notre environnement physique.
La thermodynamique est initialement une théorie macroscopique empirique qui se concentre sur la dynamique des variables globales
/macroscopiques décrivant les systèmes complexes. Les variables thermodynamiques trouvent aujourd'hui leur place aussi bien dans nos
théories de l'infiniment petit (quarks & gluons) que de l'infiniment grand (le cosmos) en passant par les étoiles à neutrons et ... le moteur
à essence, sans oublier les études sur l'environnement, la météo... La version microscopique de la thermodynamique, appelée physique
statistique, permet de retrouver à partir des principes premiers toutes les données empiriques de la thermodynamique.
En physique, les problèmes que l'on sait vraiment résoudre sont ceux à très petit nombre de corps (deux) ou à très grand nombre où une
vision statistique ou thermodynamique devient valide pour décrire la dynamique de variables collectives, appelées variables
thermodynamiques.
Ce cours fera un peu appel aux notions microscopiques qui sous-tendent la partie statistique de la thermodynamique. Nous insisterons
principalement sur une introduction classique et macroscopique des variables et des relations thermodynamiques.
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Site de cours
https://sitescours.monportail.ulaval.ca/ena/site/accueil?idSite=72018
Coordonnées et disponibilités
Gilles Joncas
Enseignant
VCH-0034-B
[email protected]
Bertrand de Dorlodot
Correcteur
Disponibilités
Comme je suis directeur du département, il est préférable de
prendre rendez-vous via mon adresse courriel.
Soutien technique
Pour recevoir du soutien technique relatif à l'utilisation de monPortail, contactez :
Comptoir LiberT (FSG)
Pavillon Adrien-Pouliot, Local 3709
[email protected]
418-656-2131 poste 4651
Session d'automne et hiver
Lundi
08h00 à 18h45
Mardi
08h00 à 18h45
Mercredi
08h00 à 18h45
Jeudi
08h00 à 18h45
Vendredi
08h00 à 16h45
Session d'été
Lundi
08h00 à 16h00
Mardi
08h00 à 16h00
Mercredi
08h00 à 16h00
Jeudi
08h00 à 16h00
Vendredi
08h00 à 16h45
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Sommaire
Description du cours .......................................................................................................................... 4
Objectifs .................................................................................................................................................................................................... 4
Objectifs spécifiques ................................................................................................................................................................................. 4
Évaluations et résultats ...................................................................................................................... 5
Consignes sur les examens ........................................................................................................................................................................ 5
Consignes sur les travaux .......................................................................................................................................................................... 5
Modalités d'évaluation ............................................................................................................................................................................... 5
Informations détaillées sur les évaluations sommatives ........................................................................................................................... 6
Examen 1 ............................................................................................................................................................................................. 6
Examen 2 ............................................................................................................................................................................................. 6
Devoir #1 ............................................................................................................................................................................................. 6
Devoir#2 .............................................................................................................................................................................................. 6
Devoir#3 .............................................................................................................................................................................................. 6
Devoir#4 .............................................................................................................................................................................................. 7
Détails sur les modalités d'évaluation ....................................................................................................................................................... 7
Échelle des cotes ....................................................................................................................................................................................... 7
Politique sur l'utilisation d'appareils électroniques ................................................................................................................................... 7
Politique sur le plagiat et la fraude académique ........................................................................................................................................ 7
Étudiants ayant un handicap, un trouble d’apprentissage ou un trouble mental ....................................................................................... 8
Matériel didactique ............................................................................................................................ 8
Matériel obligatoire ................................................................................................................................................................................... 8
Matériel complémentaire ........................................................................................................................................................................... 8
Médiagraphie et annexes .................................................................................................................... 8
Bibliographie ............................................................................................................................................................................................. 8
Annexes ..................................................................................................................................................................................................... 8
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Description du cours
Objectifs
Les objectifs généraux du cours:
1. Familiariser les étudiant/e/s avec les variables globales/collectives d'un système complexe et leurs relations avec la structure
microscopique.
2. Développer chez les étudiant/e/s une capacité d'analyse des systèmes complexes en utilisant les variables macroscopiques du système.
3. Développer chez les étudiant/e/s une capacité de modélisation des systèmes complexes à l'aide des variables et des outils de la
thermodynamique, surtout les transformations et les cycles.
4. Pouvoir appliquer les principes thermodynamiques et les notions connexes à la résolution de problèmes théoriques et pratiques.
5. Comprendre comment généraliser les outils du gaz parfait aux gaz réels et aux fluides.
Objectifs spécifiques
À la fin du cours, les étudiant/e/s auront acquis les connaissances/habiletés susceptibles de les rendre capables de:
1. Reconnaître les variables descriptives (d'état) d'un système complexe et leur attribuer les bonnes propriétés mathématiques.
2. Faire le lien entre des mécanismes microscopiques simples et des propriétés dynamiques globales de ces systèmes.
3. Savoir comment modéliser qualitativement et quantitativement des transformations thermodynamiques et les machines thermiques.
4. Savoir les lois de la thermodynamique et leurs conséquences dans l'étude des systèmes physiques simples et de leurs transformations.
5. Comprendre la relation entre les propriétés cinématiques et dynamiques de systèmes complexes avec leur équation d'état
(macroscopique).
6. Analyser physiquement une transition de phase.
7. Savoir établir les relations de base entre les variables thermodynamiques et les fondements microscopiques.
8. Être sensibilisé aux mécanismes microscopiques qui mènent à l'équilibre thermodynamique.
Contenu du cours:
Le cours se décline en un certain nombre de chapitres dont la liste apparaît ci-dessous. Ce sont les chapitres des notes de cours qui
constituent le document pédagogique de base du cours.
A) Thermodynamique classique
0. Rappel mathématique
1. Bref historique. Position de la thermodynamique: les variables de la thermodynamique. Équation d'état. Diagramme d'état. Chaleur
et température. Capacité calorifique.
2. Premier principe de la thermodynamique - L'énergie: énoncé. Énergie interne. Travail et chaleur. Capacité calorifique à pression
constante. Capacité calorifique à volume constant. Bilan énergétique. Expression local du bilan énergétique.
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3. Transformations thermodynamiques et leur représentation - Réversibilité vs irréversibilité. Transformation
isotherme. Transformation adiabatique. Transformation à pression constante et à volume constant. Cycles thermodynamiques. Cycles
de Carnot et d'Otto.
4. Deuxième principe de la thermodynamique - L'entropie: énoncé. Causes d'irréversibilité. Concept d'entropie. Énoncés historiques
du deuxième principe: énoncé de Clausius, énoncé de Thomson. État stationnaire et état d'équilibre. Entropie d'un gaz parfait. Bilan
entropique local. Variation de l'entropie dans les transformations thermodynamiques.
5. Potentiels thermodynamiques: Définition des potentiels thermodynamiques. Énergies libres de Helmholtz et de Gibbs. Enthalpie.
6. Relations de Maxwell: Relations de Maxwell et contraintes. "Utilité" des relations de Maxwell. Troisième loi de la
thermodynamique.
7. Les gaz réels : van der Waals. Introduction aux transitions de phase.
8. Introduction aux changements de phase.
9. Applications aux liquides et solides.
10. Introduction au mécanisme de tension de surface et à certaines de ses manifestations.
B) Aspects microscopiques de la cinétique de la thermodynamique (si le temps le permet)
11. Distribution des vitesses moléculaires: Distribution de Maxwell. Jet moléculaire.
Vérifications expérimentales.
Les notes de cours contiennent peu d'exemples numériques ou théoriques. Ils seront fait en classe.
Évaluations et résultats
Consignes sur les examens
Il y aura deux examens valant chacun 35 points.
Les examens seront de deux heures. Les locaux pour les examens seront annoncés en classe et affichés sur le site du cours.
Seules les notes de cours sont permises durant les examens ainsi que la calculatrice approuvée par la Faculté des sciences et de génie.
Consignes sur les travaux
Il y aura quatre devoirs de valeurs égales (30 points divisés par quatre). Les devoirs sont répartis à peu près également dans le temps,
deux devoirs préparant chaque examen.
Vous remarquerez que examens + devoirs totalisent 100 points.
Modalités d'évaluation
Sommatives
Titre
Date
Mode de travail
Pondération
Examen 1
Le 25 oct. 2016 de 13h30
à 15h25
Individuel
35 %
© Université Laval
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Titre
Date
Mode de travail
Pondération
Examen 2
Le 20 déc. 2016 de 13h30
à 15h30
Individuel
35 %
Devoir #1
Dû le 6 oct. 2016 à 16h51
Individuel
7,5 %
Devoir#2
Dû le 24 oct. 2016 à
16h55
Individuel
7,5 %
Devoir#3
Dû le 29 nov. 2016 à
16h57
Individuel
7,5 %
Devoir#4
Dû le 19 déc. 2016 à
16h59
Individuel
7,5 %
Formatives
Titre
Date
Mode de travail
Cette liste ne contient aucun élément.
Informations détaillées sur les évaluations sommatives
Examen 1
Date et lieu :
Le 25 oct. 2016 de 13h30 à 15h25 , VCH-3830
Mode de travail :
Individuel
Pondération :
35 %
Remise de l'évaluation :
en salle d'examen
Matériel autorisé :
Notes de cours et calculatrice
Examen 2
Date et lieu :
Le 20 déc. 2016 de 13h30 à 15h30 , VCH-3830
Mode de travail :
Individuel
Pondération :
35 %
Remise de l'évaluation :
En salle d'examen
Matériel autorisé :
Notes de cours et calculatrice
Devoir #1
Date de remise :
6 oct. 2016 à 16h51
Mode de travail :
Individuel
Pondération :
7,5 %
Devoir#2
Date de remise :
24 oct. 2016 à 16h55
Mode de travail :
Individuel
Pondération :
7,5 %
© Université Laval
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Devoir#3
Date de remise :
29 nov. 2016 à 16h57
Mode de travail :
Individuel
Pondération :
7,5 %
Devoir#4
Date de remise :
19 déc. 2016 à 16h59
Mode de travail :
Individuel
Pondération :
7,5 %
Détails sur les modalités d'évaluation
Je vous rappelle qu'une demande de révision de note doit être faite selon les règlements en vigueur. Les résultats des examens et de la
note finale apparaitront sur le Portail.
Échelle des cotes
Le domaine du résultat final allant de 100% à 70% sera divisé en tranches de 5 points, chaque tranche correspondant à une des cotes
allant de A+ à B-. De 70% à 50%, les tranches de 4 points correspondent aux cotes allant de C+ à D. Un résultat de moins de 50% pour
la session est un échec.
Cote
% minimum
% maximum
Cote
% minimum
% maximum
A+
95
100
C+
66
69,99
A
90
94,99
C
62
65,99
A-
85
89,99
C-
58
61,99
B+
80
84,99
D+
54
57,99
B
75
79,99
D
50
53,99
B-
70
74,99
E
0
49,99
Politique sur l'utilisation d'appareils électroniques
La politique sur l'utilisation d'appareils électroniques de la Faculté des sciences et de génie peut être consultée à l'adresse : http://www.
fsg.ulaval.ca/fileadmin/fsg/documents/PDF/Calculatrices-autorisees-FSG.pdf.
Politique sur le plagiat et la fraude académique
Règles disciplinaires
Tout étudiant qui commet une infraction au Règlement disciplinaire à l'intention des étudiants de l'Université Laval dans le cadre du
présent cours, notamment en matière de plagiat, est passible des sanctions qui sont prévues dans ce règlement. Il est très important pour
tout étudiant de prendre connaissance des articles 28 à 32 du Règlement disciplinaire. Celui-ci peut être consulté à l'adresse suivante:
http://www2.ulaval.ca/fileadmin/Secretaire_general/Reglements/Reglement_disciplinaire.pdf
Plagiat
Tout étudiant est tenu de respecter les règles relatives au plagiat. Constitue notamment du plagiat le fait de:
i. copier textuellement un ou plusieurs passages provenant d'un ouvrage sous format papier ou électronique sans mettre ces passages
entre guillemets et sans en mentionner la source;
ii.
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ii.
iii.
iv.
v.
résumer l'idée originale d'un auteur en l'exprimant dans ses propres mots (paraphraser) sans en mentionner la source;
traduire partiellement ou totalement un texte sans en mentionner la provenance;
remettre un travail copié d'un autre étudiant (avec ou sans l'accord de cet autre étudiant);
remettre un travail téléchargé d'un site d'achat ou d'échange de travaux scolaires.
L'Université Laval étant abonnée à un service de détection de plagiat, il est possible que l'enseignant soumette vos travaux pour analyse.
Étudiants ayant un handicap, un trouble d’apprentissage ou un trouble mental
Les étudiants qui ont une lettre d'Attestation d'accommodations scolaires obtenue auprès d'un conseiller du secteur Accueil et soutien aux
étudiants en situation de handicap (ACSESH) doivent impérativement se conformer à la politique d'Accommodations scolaires aux
examens de la Faculté des sciences et de génie qui peut être consultée à l'adresse : http://www.fsg.ulaval.ca/fileadmin/fsg/documents/PDF
/Politique-Facultaire-Accommodements.pdf
Matériel didactique
Matériel obligatoire
Matériel obligatoire: les notes de cours.
Il est très recommandé d'acheter un livre de référence même s'il n'en existe pas qui couvre parfaitement mon plan de cours. Sont
particulièrement recommandés :
"Thermodynamique" de J.-P. Pérez chez Masson : on y trouve plusieurs chapitres de physique statistique.
« Introduction to Modern Thermodynamics » de D. Kondepudi chez Wiley : il épouse bien le cours avec toutefois une tendance vers la
chimie, il y a quelques chapitres sur des sujets modernes.
Matériel complémentaire
Autres livres de référence (il y en a beaucoup!):
-"Thermodynamics and Statistical Mechanics" de W. Greiner, L. Neise et H. Stöcker chez Springer-Verlag
-"Éléments de Physique statistique" de Sylvie Vauclair chez Inter Éditions
-"Introduction à la thermodynamique" de J.-P. Pérez et P. Laffont chez Masson
-"Physique Statistique" de C. Ngô et H. Ngô chez Masson
-"Thermodynamics" de E. Fermi chez Dover
-"Introduction to Statistical Mechanics and Thermodynamics" de K. Stowe chez Wiley
-"Statistical and Thermal Physics" de F. Reif chez Mc Graw Hill
Ce dernier livre est un vrai classique qui sert aussi au cours de physique statistique.
Médiagraphie et annexes
Bibliographie
Cette sous-section n'a pas encore été complétée par votre enseignant.
Annexes
 Ch2-Loi1-2016.pdf (812,59 Ko, déposé le 5 sept.
2016)
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 Ch3-Transf-16.pdf (1,74 Mo, déposé le 5 sept.
2016)
 Ch0-2013b.pdf (2,03 Mo, déposé le 5 sept.
2016)
 Ch1-Pla-var-16.pdf (456,78 Ko, déposé le 5 sept.
2016)
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