Organisation des appareils et systèmes : bases physiques des méthodes d'exploration

Organisation des appareils et systèmes :
bases physiques des méthodes d'exploration
Thermodynamique 3 : Échanges d'énergie
Prmemier principe
Philippe Jacquier
Université Pierre et Marie Curie
2013
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Plan du cours
1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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1
Notion de transformation thermodynamique
Dénition
Exemples
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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1
Notion de transformation thermodynamique
Dénition
Exemples
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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Notion de transformation thermodynamique
Dénition
On appelle transformation d'un système thermodynamique tout
passage d'un état d'équilibre E1 déni par des variables d'état {X1 }
à un autre état thermodynamique E2 de variables d'état {X2 }.
Ce passage peut être spontané ou forcé
Cycle
Si E1 = E2 , la transformation s'appelle un
cycle
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Transformation quasistatique
p
poids dm
0
Du gaz et un piston.
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p int = p
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gaz
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Transformation quasistatique
p
poids dm
0
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
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p int = p
0
gaz
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Transformation quasistatique
p
poids dm
0
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
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p int = p
0
gaz
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Transformation quasistatique
p
poids dm
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Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
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p int = p
0
gaz
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Transformation quasistatique
p
poids dm
0
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
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p int = p
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gaz
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Transformation quasistatique
p
poids dm
0
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
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p int = p
0
gaz
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Transformation quasistatique
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
La pression augmente petit à petit.
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Transformation quasistatique
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
La pression augmente petit à petit.
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Transformation quasistatique
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
La pression augmente petit à petit.
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Transformation quasistatique
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
La pression augmente petit à petit. À
la limite δ m −→ 0, on est toujours à
l'équilibre
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Transformation quasistatique
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
La pression augmente petit à petit. À
la limite δ m −→ 0, on est toujours à
l'équilibre : la transformation est
quasi-statique.
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Transformation quasistatique
Du gaz et un piston. On pose l'un
après l'autre des petits poids. On attend
à chaque fois l'équilibre.
La pression augmente petit à petit. À
la limite δ m −→ 0, on est toujours à
l'équilibre : la transformation est
quasi-statique.
Dénition
Une transformation est dite quasitatique si au cours de celle-ci, le
système reste toujours à l'équilibre interne et en équilibre avec
l'extérieur.
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Transformation réversible
Certaines transformations sont en plus
réversibles :
Dénition
Si, en modiant inniment peu la valeur d'une contrainte
extérieure, on peut faire changer le sens de l'évolution, alors, la
transformation est réversible.
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Transformation réversible
Certaines transformations sont en plus
réversibles :
Dénition
Si, en modiant inniment peu la valeur d'une contrainte
extérieure, on peut faire changer le sens de l'évolution, alors, la
transformation est réversible.
Remarque : il n'existe pas de transformation réversible !
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Transformation réversible
Certaines transformations sont en plus
réversibles :
Dénition
Si, en modiant inniment peu la valeur d'une contrainte
extérieure, on peut faire changer le sens de l'évolution, alors, la
transformation est réversible.
Remarque : il n'existe pas de transformation réversible !
Attention !
Réversible ⇒ quasistatique. Mais quasistatique 6⇒ réversible.
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1
Notion de transformation thermodynamique
Dénition
Exemples
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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Détente de Joule
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Détente d'un gaz dans le vide.
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Détente de Joule
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Détente d'un gaz dans le vide.
C'est évidemment irréversible, et même
pas quasistatique
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Détente de Joule
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Détente d'un gaz dans le vide.
C'est évidemment irréversible, et même
pas quasistatique
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Chauage d'une casserole
Chauage direct au gaz :
La température intérieure s'élève.
On a toujours :
T1
T
1
Text
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T1 6= Text
La transformation n'est
pas réversible.
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Chauage d'une casserole
Chauage au bain-marie :
La température intérieure s'élève.
En permanence :
T1 T
1
Text
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T1 ≡ T1
La transformation
est réversible.
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1
2
Notion de transformation thermodynamique
Travail
Travail mécanique
Travail électrique
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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1
2
Notion de transformation thermodynamique
Travail
Travail mécanique
Travail électrique
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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En mécanique
Rappel : travail d'une force
À 1 dimension :
En général :
W
= F × ∆x
W
=
→
− −→
F · ∆x
Forme diérentielle :
dW
=
→
→
− −
F · d`
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Exemple : travail du poids
Le travail du poids s'écrit :
W
dl
P
m
= P (zB − zA )
zA
A
h
B
zB
Z B
→
→
− −
=
P · d`
A
Z B
−
→
→
−
= P ·
d`
A
→
− −→
= P · AB
Remarque : Variation d'énergie
potentielle :
∆Ep = W
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Exemple : ressort
Un ressort a au repos la longueur `0 .
l0
F
0
X
x
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Exemple : ressort
Un ressort a au repos la longueur `0 .
L'opérateur allonge le ressort jusqu'à `
en exerçant une force :
→
−
F
−
= k (` − `0 ) →
ex
l
F
0
X
x
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Exemple : ressort
Un ressort a au repos la longueur `0 .
L'opérateur allonge le ressort jusqu'à `
en exerçant une force :
→
−
F
−
= k (` − `0 ) →
ex
Le travail de l'opérateur est :
W
l
Z
`0
Z X
F
=
0
X
`
=
x
=
0
→
→
− −
F · d`
k x dx
1
k X2
2
Remarque : Variation d'énergie
potentielle élastique du ressort :
∆Ep = W
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1
2
Notion de transformation thermodynamique
Travail
Travail mécanique
Travail électrique
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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Travail électrique
Un dipôle reçoit un courant d'intensité
sous la tension V .
I
I
q
V
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Travail électrique
Un dipôle reçoit un courant d'intensité I
sous la tension V . La puissance fournie
par le générateur est P = U
R .tI .
Le travail est donc : W = 0 V .I dt
I
q
V
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Travail électrique
Un dipôle reçoit un courant d'intensité I
sous la tension V . La puissance fournie
par le générateur est P = U
R .tI .
Le travail est donc : W = 0 V .I dt
Prenons par exemple un condensateur
déni par q = C V et I = dq /dt .
I
q
V
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Travail électrique
Un dipôle reçoit un courant d'intensité I
sous la tension V . La puissance fournie
par le générateur est P = U
R .tI .
Le travail est donc : W = 0 V .I dt
Prenons par exemple un condensateur
déni par q = C V et I = dq /dt .
Z t
q dq
W=
dt
I
0
C dt
q
V
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Travail électrique
I
q
V
Un dipôle reçoit un courant d'intensité I
sous la tension V . La puissance fournie
par le générateur est P = U
R .tI .
Le travail est donc : W = 0 V .I dt
Prenons par exemple un condensateur
déni par q = C V et I = dq /dt .
Z t
q dq
W=
dt
0 C dt
Z
1 Q
=
q dq
C
=
1
2
0
2
Q
C
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Travail électrique
I
q
V
Un dipôle reçoit un courant d'intensité I
sous la tension V . La puissance fournie
par le générateur est P = U
R .tI .
Le travail est donc : W = 0 V .I dt
Prenons par exemple un condensateur
déni par q = C V et I = dq /dt .
Z t
q dq
W=
dt
0 C dt
Z
1 Q
=
q dq
C
=
1
2
0
2
Q
C
Remarque : l'énergie du condensateur
a varié de
∆Eélec = W
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
Travail des forces de pression
La chaleur
Premier Principe
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
Travail des forces de pression
La chaleur
Premier Principe
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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Travail de la pression
Un système de pression intérieure
comprimé de manière réversible.
p est
000000
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isolation
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Travail de la pression
Un système de pression intérieure
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Travail de la pression
Un système de pression intérieure
comprimé de manière réversible.
Le travail élémentaire reçu est :
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→
→
− −
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= −pS .(−dx )
= p Sdx
= −p dV
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Travail de la pression
Un système de pression intérieure
comprimé de manière réversible.
Le travail élémentaire reçu est :
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x
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=
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→
→
− −
F · dx
= −pS .(−dx )
= p Sdx
= −p dV
L'énergie interne
U
varie de :
∆U = W
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Travail de la pression-bis
Un système de pression intérieure p est
comprimé de manière réversible et
isotherme.
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Travail de la pression-bis
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Travail de la pression-bis
Un système de pression intérieure p est
comprimé de manière réversible et
isotherme. Le travail élémentaire reçu
est :
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Travail de la pression-bis
Un système de pression intérieure p est
comprimé de manière réversible et
isotherme. Le travail élémentaire reçu
est :
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Travail de la pression-bis
Un système de pression intérieure p est
comprimé de manière réversible et
isotherme. Le travail élémentaire reçu
est :
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000000
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111111
000000
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0000
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0000000
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000000
111111
000000
111111
0000000
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000000
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000000
111111
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000000
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000000
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000000
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000000
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000000
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1
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1
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1
1111
0000
0000000
1111111
0
1
0
dV
00000001
1111111
F=
0
1
0
1
0000000
1111111
0
1
0
1
0000000
1111111
111111111111111
000000000000000
0
1
0
00000001
1111111
0
1
0
1
0000000
1111111
0
1
0
1
0000000
1111111
1111
0000
00000000
1
0
1
11111111
0000000
1111111
0
1
0
0000000
1111111
0
1
0
1
0000000
1111111
0
1
0 dx
1
111111111111111111111111111111
000000000000000000000000000000
x
111
000
−pS ex
=
→
→
− −
F · dx
= −pS .(−dx )
= p Sdx
= −p dV
La température n'a pas varié.
../UPMC.png
Travail de la pression-bis
Un système de pression intérieure p est
comprimé de manière réversible et
isotherme. Le travail élémentaire reçu
est :
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
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000000
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000000
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000000
111111
000000
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000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
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000000
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000000
111111
000000
111111
111111
000000
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
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111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
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000000
111111
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111111
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000000
111111
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111111
000000
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111111
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111111
000000
111111
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000000
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000000
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000000
111111
0000000
1111111
000000
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0000000
1111111
000000
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0000000
1111111
000000
111111
0000000
1111111
000000
111111
0000000
1111111
000000
111111
0000000
1111111
0000000
1111111
000000
111111
0000000
1111111
0000000
1111111
0000000 1111111
1111111
0000000
000000
111111
0000000
1111111
0000000
1111111
0000000
1111111
000000
111111
0000000
1111111
000000
111111
000000
111111
0000000
1111111
000000000
111111111
0000
1111
0000000
1111111
000000
111111
000000
111111
0000000
1111111
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111111
000000
111111
0000000
1111111
000000000
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0000
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0000000
1111111
000000
111111
000000
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0000000
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000000
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0000000
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0000000
1111111
000000
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000000
111111
0000000
1111111
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000000
111111
000000000
111111111
0000
1111
0000000
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000000
111111
000000
111111
0000000
1111111
000000
111111
000000
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000000000
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0000
1111
0000000
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111111
000000
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0000000
1111111
000000
111111
000000
111111
0000
1111
0000000
1111111
000000
111111
000000
111111
0000000
1111111
000000
111111
000000
111111
0000
1111
0000000
1111111
000000
111111
000000
111111
0000000
1111111
000000
111111
000000
111111
0000
1111
0000000
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000000
111111
000000
111111
0000000
1111111
000000
111111
000000
111111
0000
1111
0000000
1111111
000000
111111
000000
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000000
111111
000000
111111
0000000
1111111
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000000
111111
0000000
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000000
111111
000000
111111
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Thermostat
T0
0
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00000001
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1
0000000
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1
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0000000
1111111
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1
0
1
1111
0000
0000000
1111111
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1
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1111111
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1
0
1
0000000
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1
0
1
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0
1
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1
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1
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0
1
0000000
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1111
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00000000
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0
1
11111111
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1111111
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1
0
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1
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1
111111111111111111111111111111
000000000000000000000000000000
x
111
000
−pS ex
=
→
→
− −
F · dx
= −pS .(−dx )
= p Sdx
= −p dV
La température n'a pas varié.
l'énergie interne U non plus !
Donc
∆U = 0
../UPMC.png
1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
Travail des forces de pression
La chaleur
Premier Principe
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
../UPMC.png
La chaleur
000000
111111
000000
111111
000000
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000000
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000000
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000000
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000000
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000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
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000000
111111
isolation
000000
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000000
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000000
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000000
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000000
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0
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000000
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000000
111111
000000
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000000
111111
000000
111111
0000000
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000000
000000
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000000
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000000
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111111
000000
111111
000000
111111
0000000
1111111
000000
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000000
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000000
111111
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0
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111111
000000
00000001
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000000
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000000
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0
1
1111
0000
0000000
1111111
000000
111111
000000
111111
0
1
0
1
dV
0000000
1111111
F=
000000
111111
000000
111111
0
1
0
1
0000000
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0000000
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1111111
111111111111111
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p
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000000
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0
1
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0000000
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1
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0
1
0000000
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000000
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0000
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000000000
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0000000
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0000000
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111
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−pS ex
Dans le cas isotherme ∆U s'écrit :
∆U = 0
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∆U = W
x
Thermostat
T0
0
1
00000001
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p
Dans le cas isolé on a :
1
0
0
1
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0
1
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1
dV
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F=
0
1
0
1
0000000
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0
1
0
00000001
1111111
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1
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1
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0
1
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1
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0
1
0
1
0000000
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0
1
0
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0000000
0000000
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0
1
0
1
0000000
1111111
0
1
0 dx
1
0000000
1111111
0
1
0
1
111
000
−pS ex
Dans le cas isotherme ∆U s'écrit :
∆U = 0
=W +Q
111111111111111111111111111111
000000000000000000000000000000
x
où Q est la
l'extérieur.
chaleur échangée avec
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
Travail des forces de pression
La chaleur
Premier Principe
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
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Le Premier Principe
Énoncé
Lorsque lors d'une transformation quelconque un système échange
un travail W avec l'extérieur, on a
∆U = W + Q
où Q représente les échanges d'énergie sous d'autres forme. On
l'appelle la chaleur échangée
Remarques
∆U est la variation d'une fonction d'état : elle ne dépend que
de l'état initial et de l'état nal.
W
dépend du chemin suivi, pas seulement des états initial et
nal.
de même pour
Q
: ce
n'est pas une fonction détat.
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Le Premier Principe
Énoncé
Lorsque lors d'une transformation quelconque un système échange
un travail W avec l'extérieur, on a
∆U = W + Q
où Q représente les échanges d'énergie sous d'autres forme. On
l'appelle la chaleur échangée
Remarques
∆U est la variation d'une fonction d'état : elle ne dépend que
de l'état initial et de l'état nal.
W
dépend du chemin suivi, pas seulement des états initial et
nal.
Q
n'est pas une fonction détat.
Une transformation où Q = 0 est dite adiabatique
de même pour
: ce
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
5
Modes de transport de la chaleur
Modes de transport de la chaleurs
Transport par rayonnement
Transport par conduction
Calorimétrie
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
5
Modes de transport de la chaleur
Modes de transport de la chaleurs
Transport par rayonnement
Transport par conduction
Calorimétrie
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Modes de transports de la chaleur
La chaleur est transportée d'un système à un autre par trois
principaux modes :
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Modes de transports de la chaleur
La chaleur est transportée d'un système à un autre par trois
principaux modes :
La convection, le mode le plus ecace
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Modes de transports de la chaleur
La chaleur est transportée d'un système à un autre par trois
principaux modes :
La convection, le mode le plus ecace
radiateurs
centrales de climatisation
système artério-veineux
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Modes de transports de la chaleur
La chaleur est transportée d'un système à un autre par trois
principaux modes :
La convection, le mode le plus ecace
radiateurs
centrales de climatisation
système artério-veineux
Le rayonnement
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Modes de transports de la chaleur
La chaleur est transportée d'un système à un autre par trois
principaux modes :
La convection, le mode le plus ecace
radiateurs
centrales de climatisation
système artério-veineux
Le rayonnement
soleil
grille-pain
découpage par laser
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Modes de transports de la chaleur
La chaleur est transportée d'un système à un autre par trois
principaux modes :
La convection, le mode le plus ecace
radiateurs
centrales de climatisation
système artério-veineux
Le rayonnement
soleil
grille-pain
découpage par laser
La conduction (diusion)
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Modes de transports de la chaleur
La chaleur est transportée d'un système à un autre par trois
principaux modes :
La convection, le mode le plus ecace
radiateurs
centrales de climatisation
système artério-veineux
Le rayonnement
soleil
grille-pain
découpage par laser
La conduction (diusion)
plaques de cuisson en fonte
bouillotte
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
5
Modes de transport de la chaleur
Modes de transport de la chaleurs
Transport par rayonnement
Transport par conduction
Calorimétrie
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Transport par rayonnement
Un corps chaud émet des ondes E.M. (radio, IR, visible...) dont la
puissance totale est donnée par la loi de Stefan :
P = εσ
T4 S
où S est la surface et T la température et σ est la constante de
Stefan :
σ = 5.670400 W·m−2 ·K−4
et où ε est l'émissivité de la surface : c'est la proportion de
puissance eectivement émise.
matériau
papier alu
bois
peau
ε
0.04
0.7
0.98
C'est aussi la proportion de rayonnement reçu qui est eectivement
absorbé.
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
5
Modes de transport de la chaleur
Modes de transport de la chaleurs
Transport par rayonnement
Transport par conduction
Calorimétrie
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Transport par conduction
Il est régi par la loi de Fourier :
Le débit de chaleur passant de 1 à 2 est
donné par :
T1
e
.
Q
T2
λS
(T − T − 2)
e 1
λ est la conductivité thermique du
Q̇ =
matériau, elle s'exprime en W.m−1 K−1 :
matériau
béton
plâtre
bois
laine de verre
polyuréthane extrudé
λ
1.5
0.5
0.18
0.038
0.023
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
Dénition
Expérience de Joule
Valeur en eau du calorimètre
../UPMC.png
1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
Dénition
Expérience de Joule
Valeur en eau du calorimètre
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Dénition
La calorimétrie consiste à mesurer les quantités de chaleur fournies
par un système lors d'une transformation de celui-ci. Par exemple
lors de sa fusion
lors d'une réaction chimique
métabolisme d'un rat
...
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Enthalpie
En général, la mesure se fait à pression atmosphérique constante.
Alors :
∆U = W + Q
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Enthalpie
En général, la mesure se fait à pression atmosphérique constante.
Alors :
∆U = W + Q
= −p ∆V + W 0 + Q
où W' est un travail autre que des forces de pression (électrique par
exemple)
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Enthalpie
En général, la mesure se fait à pression atmosphérique constante.
Alors :
∆U = W + Q
= −p ∆V + W 0 + Q
où W' est un travail autre que des forces de pression (électrique par
exemple)
∆U + p ∆V = W 0 + Q
∆(U + pV ) = W 0 + Q
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Enthalpie
En général, la mesure se fait à pression atmosphérique constante.
Alors :
∆U = W + Q
= −p ∆V + W 0 + Q
où W' est un travail autre que des forces de pression (électrique par
exemple)
∆U + p ∆V = W 0 + Q
∆(U + pV ) = W 0 + Q
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Enthalpie
En général, la mesure se fait à pression atmosphérique constante.
Alors :
∆U = W + Q
= −p ∆V + W 0 + Q
où W' est un travail autre que des forces de pression (électrique par
exemple)
∆U + p ∆V = W 0 + Q
∆(U + pV ) = W 0 + Q
∆H = W 0 + Q
Enthalpie
enthalpie la grandeur H = U + pV . C'est bien sûr une
fonction d'état.
On appelle
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Calorimètre
t
11111111111111111111
00000000000000000000
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
0000000000000
1111111111111
0000000000000
1111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
0000000000000
1111111111111
0000000000000
1111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
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00000000000000000000
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11111111111111111111
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00000000000000000000
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00000000000000000000
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00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
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00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
conducteur
isolant
eau
Il s'agit d'un récipient conducteur de
la chaleur (métal) contenu dans un
récipient isolant. Il contient
généralement de l'eau et comporte un
thermomètre pour mesurer la
température.
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Principe de la calorimétrie
La calorimétrie est fondée sur le fait que l'énergie interne d'un
masse m d'eau liquide (dans les conditions habituelles) est :
Ueau = m c T
à une constante additive sans importance près et où c est la
chaleur massique de l'eau.
Comme l'eau est incompressible à une très susante
approximation, on peut aussi écrire :
H = mc T
là encore à une constante additive sans importance près.
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Principe de la calorimétrie
La calorimétrie est fondée sur le fait que l'énergie interne d'un
masse m d'eau liquide (dans les conditions habituelles) est :
Ueau = m c T
à une constante additive sans importance près et où c est la
chaleur massique de l'eau.
Comme l'eau est incompressible à une très susante
approximation, on peut aussi écrire :
H = mc T
là encore à une constante additive sans importance près.
Mesure
Pour mesurer le ∆H de l'eau, il sura donc de mesurer la
température.
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
Dénition
Expérience de Joule
Valeur en eau du calorimètre
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Expérience de Joule
C'est une expérience historique qui pour la première fois a montré
l'équivalence entre la chaleur et le travail.
Une masse m est attachée par un l à
un agitateur plongeant dans l'eau du
calorimètre.
t1
11111111111111111111
00000000000000000000
00000000000000000000
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00000000000000000000
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00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
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0000000000000
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0000000000000
1111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
0000000000000
1111111111111
0000000000000
1111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
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1111
0000
0000
1111
0000
1111
0000
1111
mg
h
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Expérience de Joule
C'est une expérience historique qui pour la première fois a montré
l'équivalence entre la chaleur et le travail.
Une masse m est attachée par un l à
un agitateur plongeant dans l'eau du
calorimètre.
En descendant de h, elle fait tourner les
pales dans le calorimètre en fournissant
le travail :
t2
t
t1
11111111111111111111
00000000000000000000
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
0000000000000
1111111111111
0000000000000
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0000000000000
1111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
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00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
1111
0000
0000
1111
0000
1111
0000
1111
0000
1111
h
W
= mg h
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Expérience de Joule
C'est une expérience historique qui pour la première fois a montré
l'équivalence entre la chaleur et le travail.
Une masse m est attachée par un l à
un agitateur plongeant dans l'eau du
calorimètre.
En descendant de h, elle fait tourner les
pales dans le calorimètre en fournissant
le travail :
t2
t
t1
11111111111111111111
00000000000000000000
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
0000000000000
1111111111111
0000000000000
1111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
0000000000000
1111111111111
0000000000000
1111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
00000000000000000000
11111111111111111111
h
1111
0000
0000
1111
0000
1111
0000
1111
0000
1111
W
= mg h
On constate une élévation de
température. Comme si on avait chaué
l'eau dans une casserole.
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Calories
À l'époque on mesurait les quantités de chaleur en
calories
Dénition
1 calorie est La quantité de chaleur nécessaire pour chauer 1g
d'eau à pression atmosphérique, de 14.5 à 15.5 ◦ C.
Joule a mesuré le travail pour fournir 1
trouvé : 4.1855 J
calorie à de l'eau et a
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Calories
À l'époque on mesurait les quantités de chaleur en
calories
Dénition
1 calorie est La quantité de chaleur nécessaire pour chauer 1g
d'eau à pression atmosphérique, de 14.5 à 15.5 ◦ C.
Joule a mesuré le travail pour fournir 1
trouvé : 4.1855 J
calorie à de l'eau et a
D'où la dénition actuelle :
Déntion de la CIPM
1 calorie = 4.1855(5) J
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1
Notion de transformation thermodynamique
2
Travail
3
Premier Principe de la Thermodynamique
4
Modes de transport de la chaleur
5
Calorimétrie
Dénition
Expérience de Joule
Valeur en eau du calorimètre
../UPMC.png
Inventons l'eau tiède !
Ajoutons de l'eau chaude (température T1 ) à de l'eau froide
(température T2 ), on obtient de l'eau tiède (température T3 ) :
H = m1 c T1 + m2 c T2
= (m1 + m2 )c T3
on en déduit
T3 :
T3 =
m1 T1 + m2 T2
m1 + m2
En fait, nous avons oublié un détail : on chaue aussi le
calorimètre, il faut donc prendre la capacité calorique du
calorimètre en compte !
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Inventons l'eau tiède !
Ajoutons de l'eau chaude (température T1 ) à de l'eau froide
(température T2 ), on obtient de l'eau tiède (température T3 ) :
H = m1 c T1 + m2 c T2
= (m1 + m2 )c T3
on en déduit
T3 :
T3 =
m1 T1 + m2 T2
m1 + m2
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Inventons l'eau tiède !
Ajoutons de l'eau chaude (température T1 ) à de l'eau froide
(température T2 ), on obtient de l'eau tiède (température T3 ) :
H = m1 c T1 + m2 c T2
= (m1 + m2 )c T3
on en déduit
T3 :
T3 =
m1 T1 + m2 T2
m1 + m2
En fait, nous avons oublié un détail : on chaue aussi le
calorimètre, il faut donc prendre la capacité calorique du
calorimètre en compte !
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Inventons l'eau tiède : calcul correct
Le calorimètre est en métal, on appelle
Son enthalpie est :
C
sa capacité calorique.
H=U=CT
Donc le calcul de l'eau tiède est :
H = m1 c T1 + m2 c T2 + C T2
C
= (m1 + m2 + )c T30
c
Et donc la température nale est :
T30 =
m1 T1 + (m2 + Cc )T2
m1 + (m2 + Cc )
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Inventons l'eau tiède : calcul correct
Le calorimètre est en métal, on appelle
Son enthalpie est :
C
sa capacité calorique.
H=U=CT
Donc le calcul de l'eau tiède est :
H = m1 c T1 + m2 c T2 + C T2
C
= (m1 + m2 + )c T30
c
Et donc la température nale est :
T30 =
m1 T1 + (m2 + Cc )T2
m1 + (m2 + Cc )
C est homogène à une masse, on l'appelle
c
calorimètre
valeur en eau du
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Valeur en eau
De l'expérience précédente on peut extraire la valeur en eau du
calorimètre :
µ=
m1 (T1 − T30 ) + m2 (T2 − T30 )
T30 − T2
Typiquement :
µ ∼ 10
à 100 g
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