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| Classe | prépa
PCSI
MPSI
PTSI
|Thermodynamique |
Michel Pullicino
Professeur de chaire supérieure
en classes préparatoires
au lycée Marcelin Berthelot
à Saint-Maur-des-Fossés
Tout le cours
© Nathan, classe prépa
Sommaire
1 Système thermodynamique à l’équilibre
1 - Les concepts de la thermodynamique ....................................................... 4
2 - Le gaz parfait monoatomique ................................................................. 10
3 - Les fluides réels ........................................................................................ 17
4 - Les phases condensées ............................................................................. 22
savoir résoudre les exercices ............................................................................ 24
2 Statique des fluides
1 - Fluide au repos ........................................................................................ 37
2 - Statique des fluides dans le champ de pesanteur terrestre ....................... 42
3 - Théorème d’Archimède ........................................................................... 48
savoir résoudre les exercices ............................................................................ 50
3 Le premier principe
1 - Transformations d’un système .................................................................. 55
2 - Le premier principe de la thermodynamique .......................................... 60
3 - Conséquences du premier principe ......................................................... 69
savoir résoudre les exercices ............................................................................ 75
4 Le second principe
1 - Source de chaleur, thermostat ................................................................. 85
2 - Nécessité d’un second principe ............................................................... 86
3 - Le second principe de la thermodynamique ........................................... 87
4 - Les identités thermodynamiques ............................................................. 90
5 - Entropie des trois modèles ...................................................................... 91
6 - Interprétation statistique de l’entropie ................................................... 93
savoir résoudre les exercices ............................................................................ 95
5 Machines thermiques
1 - La « machine à soulever les eaux » (1687) ............................................ 109
2 - Application des deux principes sur un cycle de fonctionnement .......... 110
3 - Les machines dithermes ......................................................................... 112
4 - Moteur thermique ditherme ................................................................. 118
5 - Réfrigérateur et pompe à chaleur dithermes ......................................... 119
6 - Cas des sources de température variable ou pseudosources .................. 121
savoir résoudre les exercices ......................................................................... 122
© Nathan, classe prépa
6 Changements d’état du corps pur
1 - États de la matière ................................................................................. 131
2 - Diagramme d’état ................................................................................. 133
3 - Équilibre liquide-vapeur d’un corps pur ................................................ 138
4 - Surface d’état ........................................................................................ 142
5 - Application des deux principes au changement d’état du corps pur ..... 143
savoir résoudre les exercices .......................................................................... 146
Index ................................................................................................ 156
© Nathan, classe prépa
retenir l’essentiel
Thermodynamique PCSI, MPSI, PTSI - © Nathan, Classe prépa
4
Système thermodynamique
à l’équilibre
1Les concepts de la thermodynamique
La thermodynamique, d’inspiration expérimentale, se propose une description macros-
copique (à notre échelle) du comportement des systèmes physiques. Autrement dit, elle
fait abstraction de l’aspect microscopique des phénomènes et des structures : née au cours
de la première moitié du XIXe siècle alors que l’atomisme ne faisait que ses premiers pas,
elle ne fait pas appel à l’existence des atomes.
Le référentiel de la thermodynamique est le référentiel terrestre ou référentiel du labora-
toire supposé galiléen.
1.1. Le système thermodynamique
La surface fermée qui délimite le système peut être matérielle ou fictive et n’est pas néces-
sairement fixe. Elle est la frontière entre le système et son environnement, celui-ci consti-
tuant le milieu extérieur.
La première étape de résolution d’un problème de thermodynamique est la défini-
tion précise du système .
Système thermodynamique : ensemble matériel constitué d’un très grand nombre
de particules, de l’ordre du nombre d’Avogadro :
Remarque
Le nombre d’Avo-
gadro représente le
nombre d’entités élé-
mentaires (atomes,
ions, molécules…)
contenues dans une
mole de matière.
NA6,02 1023 mol 1–.⋅=
Fig. 1
gaz dans une enceinte
frontière réelle
air
1 mm3 d’air iso-
lé par la pensée
(la frontière est
fictive).
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