1 CHAP I: THERMODYNAMIQUE 3

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CHAP I: THERMODYNAMIQUE __________________________________________________________ 3
I- La température _______________________________________________________________________ 3
1) Notion de température _________________________________________________________________________ 3
2) Mesure de la température ______________________________________________________________________ 3
3) Les échelles de température _____________________________________________________________________ 4
II- La chaleur ou l'énergie thermique ________________________________________________________ 4
1) Qu'est-ce que la chaleur ? _______________________________________________________________________ 4
2) Equilibre thermique ____________________________________________________________________________ 5
3) Mode de propagation de la chaleur _______________________________________________________________ 5
a) La conduction thermique ____________________________________________________________________ 5
b) La convection ______________________________________________________________________________ 5
c) Le rayonnement ___________________________________________________________________________ 5
III- Le premier principe de la thermodynamique _______________________________________________ 7
1) La thermodynamique ___________________________________________________________________________ 7
2) La conservation de l'énergie _____________________________________________________________________ 7
a) Différents types d'énergie ____________________________________________________________________ 7
b) Le principe de conservation de l'énergie (Mayer 1814-1878) ________________________________________ 7
3) L’énergie interne U ____________________________________________________________________________ 8
4) Enoncé du premier principe de la thermodynamique _________________________________________________ 8
a) Conséquence ______________________________________________________________________________ 9
b) Remarque ________________________________________________________________________________ 9
c) Conventions _______________________________________________________________________________ 9
IV- Le second principe de la thermodynamique ________________________________________________ 9
1) Transformations réversibles _____________________________________________________________________ 9
2) Transformations irréversibles ___________________________________________________________________ 10
a) Détente irréversible d'un gaz ________________________________________________________________ 10
b) Transfert de chaleur _______________________________________________________________________ 10
c) Freinage d'une roue _______________________________________________________________________ 11
3) Nécessité d'un deuxième principe - Notion d'entropie _______________________________________________ 11
4) Enoncé du second principe de la thermodynamique _________________________________________________ 11
5) Conclusions _________________________________________________________________________________ 12
V- La dilatation des solides et des liquides ___________________________________________________ 13
1) La dilatation des solides ________________________________________________________________________ 13
a) La dilatation linéaire des solides ______________________________________________________________ 13
b) La dilatation volumique des solides homogènes _________________________________________________ 14
c) La masse volumique d’un solide ______________________________________________________________ 14
2) La dilatation des liquides _______________________________________________________________________ 15
a) La dilatation apparente et réelle______________________________________________________________ 15
b) La masse volumique d’un liquide _____________________________________________________________ 16
c) La densité d’un solide ou d’un liquide _________________________________________________________ 16
3) Exercices sur la dilatation des solides et des liquides _________________________________________________ 16
VI- Les gaz parfaits ______________________________________________________________________ 19
1) Qu'est- ce qu'un gaz parfait ? ___________________________________________________________________ 19
2) La dilatation des gaz___________________________________________________________________________ 19
3) Loi de Boyle (1666-1691) - Mariotte (1620 -1684) ___________________________________________________ 20
4) Loi de Gay-Lussac (1778-1850) __________________________________________________________________ 21
5) Loi de Charles (1746-1823) _____________________________________________________________________ 22
6) Généralisation: loi des gaz parfaits _______________________________________________________________ 23
7) La masse volumique (spécifique) d’un gaz _________________________________________________________ 24
8) La densité des gaz ____________________________________________________________________________ 24
9) Exercices sur les gaz parfaits ____________________________________________________________________ 25

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VII- Les changements d'état _____________________________________________________________ 27
1) Rappel ______________________________________________________________________________________ 27
2) La fusion et la solidification _____________________________________________________________________ 27
a) Les différents types de fusion ________________________________________________________________ 27
b) Loi de la fusion et de la solidification franche ___________________________________________________ 28
c) La surfusion ______________________________________________________________________________ 28
d) Certains cas particuliers ____________________________________________________________________ 28
3) La vaporisation et la liquéfaction ________________________________________________________________ 29
a) Les deux formes de vaporisation _____________________________________________________________ 29
b) L’évaporation _____________________________________________________________________________ 29
c) L’ébullition _______________________________________________________________________________ 30
d) La sublimation ____________________________________________________________________________ 30
4) diagramme des phases - le point triple ____________________________________________________________ 30
a) D'autres changements de phase ______________________________________________________________ 30
b) Le diagramme des phases de l’eau ____________________________________________________________ 30
VIII- La calorimétrie ____________________________________________________________________ 32
1) Les calorimètres ______________________________________________________________________________ 32
a) Le calorimètre d’Arsonval-Dewar _____________________________________________________________ 32
b) Le calorimètre de Berthelot _________________________________________________________________ 32
2) Convention __________________________________________________________________________________ 33
3) Unité de mesure pour une quantité de chaleur _____________________________________________________ 33
4) La capacité calorifique _________________________________________________________________________ 33
5) la chaleur massique (ou spécifique) ______________________________________________________________ 33
6) Mesure de la valeur en eau d'un solide, d'un liquide ou d’un calorimètre _______________________________ 36
a) Comment calculer la valeur en eau d'un solide? _________________________________________________ 36
b) Comment calculer la valeur en eau d'un calorimètre? ____________________________________________ 36
7) Mesure de la chaleur massique d'un substituant ____________________________________________________ 37
8) Chaleur latente de fusion et de solidification _______________________________________________________ 37
9) Chaleur latente de vaporisation ou de liquéfaction __________________________________________________ 37
10) Exercices de calorimétrie ____________________________________________________________________ 38

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CHAP I: THERMODYNAMIQUE
I- La température
1) Notion de température
Les sensations de chaud et de froid que l’on peut ressentir au contact d’un objet sont
subjectives : elles dépendent de l’objet et de l’état physiologique de l’expérimentateur.
Cette sensation manque de :
 précision: l'huile bouillante ou le charbon incandescent donnent la même sensation de
brûlure.
 fidélité: l'eau tiède paraît chaude à la main qui vient d'être plongée dans l'eau froide.
Les molécules de tous les corps sont animés de mouvements incessants, même lorsqu’ils sont
réputés froids. Plus la température est élevée, plus les mouvements moléculaires sont
intenses. La vitesse moyenne des molécules et donc l’énergie cinétique moyenne des
molécules augmentent avec la température.
La température d’un corps est directement liée à l’agitation de ses molécules et donc de
leur vitesse moyenne.
2) Mesure de la température
Plus l’agitation (la température) est grande, plus les molécules prennent de la place et occupent
un grand volume (dilatation).
La température est souvent donnée par la mesure de la dilatation d’un corps. C'est le principe
de certains thermomètres:
 Le thermomètre à mercure (métal*, liquide*, large domaine de mesure : -35°C 350°C )
 Le thermomètre à alcool (liquide*, -110 °C  70 °C )
Plusieurs autres types de thermomètres existent :
 Le thermomètre à gaz
La pression exercée par un gaz enfermé dans un récipient varie dans le même sens que
la température.
 Le pyromètre optique
La couleur d'un corps solide change avec la température.
 Le thermomètre à résistance
La résistance électrique d'un fil métallique augmente avec !a température.
 Couples thermoélectriques
Ils sont constitués par deux conducteurs métalliques X et Y de natures différentes,
connectés ou soudés en deux points S1 et S2.

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On utilise souvent du fer et du constantan (alliage Cu-Ni).
On maintient l'une des deux connexions à température
constante; si l'autre est à une température différente, on
décèle une différence de potentiel électrique à l'aide de
l'appareil V.
Les indications de celui-ci dépendent de la différence des
températures entre S1 et S2.
3) Les échelles de température
degré Celsius
°C
0°C
100°C
degré Fahrenheit
°F
°F = 32 + 9/5. °C
32°F
212°F
Kelvin
K
K = °C + 273,15
273K
373K
II- La chaleur ou l'énergie thermique
1) Qu'est-ce que la chaleur ?
Eexemples:
Les freins d'une voiture chauffent en arrêtant le mouvement de la roue.
La température d'un corps augmente sous l'effet des rayons du soleil.
Une cuillère chauffe rapidement si on la place au dessus d'une flamme.
Un glaçon tenu dans une main fond.
En fournissant de l’énergie à un corps, il est possible d’augmenter sa température (donc la
vitesse moyenne de ses molécules) ou d'observer un changement d'état (exemple: de l'état
solide vers l'état liquide).
L’énergie thermique (calorifique) ou chaleur d’un corps est l’énergie interne totale que
possèdent les molécules de ce corps.
Dans le Système International (SI), elle est mesurée en Joules (J) ou en kilojoules (kJ)
On vient de voir qu'il est possible d’augmenter la température d'un corps en lui fournissant de
l’énergie. Mais bien souvent, une partie de l’énergie est emmagasinée sous d’autres formes par
le corps et notamment lors d’un changement d’état (ex: solide  liquide)
Lors d’un changement d’état une partie de l’énergie sera utilisée pour casser les
interactions qui existent entre les molécules. La température reste invariable durant
toute la durée du phénomène.

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2) Equilibre thermique
Si on verse de l'eau très chaude dans un verre très froid, la température du verre
augmente et celle de l'eau diminue
Quand deux corps à deux températures différentes entrent en contact, il y a transfert de
l'énergie thermique du corps chaud vers le corps froid, jusqu'à ce que leur température
devienne la même: on dit alors qu'il y a équilibre thermique
La quantité de chaleur (Q) est l'énergie thermique transférée d'une région de haute
température à une région de basse température.
3) Mode de propagation de la chaleur
a) La conduction thermique
Il est possible qu’un corps cède de la chaleur à un autre par simple contact entre eux.
Ex 3: contact flamme - cuillère ou Ex 1: contact et frottement
Les métaux sont de bons conducteurs thermiques.
Les isolants thermiques réduisent au maximum les échanges de chaleur par conduction.
Ex: fourrures, duvet, laines (qui sont des matériaux emmagasinant de l’air), amiante, porcelaine,
verre...
b) La convection
Lorsqu’un liquide ou un gaz est chauffé, les particules les plus chaudes (masse volumique
plus faible) montent à la surface alors que les plus froides (les plus denses) tombent dans le
fond du récipient.
Il se crée des courants au sein du liquide que l’on nomme
« courant de convection ».
c) Le rayonnement
Le Soleil fournit de la chaleur à la Terre par rayonnement.
Il n'y a pas de conduction ou de convection entre la Terre et le Soleil puisqu'entre les deux
astres règne le vide.
Les rayons issus du Soleil sont de différentes natures (ex : le rayonnement visible, U.V., I.R, les
rayons X...).
La plupart des corps absorbent le rayonnement infrarouge et transforment l’énergie
reçue en chaleur.
Tous les corps chauds émettent au moins un rayonnement infrarouge (vision nocturne).