4 Chap4 thermo3 .pdf



Nom original: 4- Chap4-thermo3.pdfTitre: Organisation des appareils et systèmes : bases physiques des méthodes d'exploration - Thermodynamique – 3 : Échanges d'énergie Prmemier principeAuteur: Philippe Jacquier

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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
Dé nition
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
Dé nition
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

Dé nition

On appelle transformation d'un système thermodynamique tout
passage d'un état d'équilibre E1 dé ni 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
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Du gaz et un piston.

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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
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
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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000000000000000000
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000000000000000000
111111111111111111

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.
Dé nition

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 :

Dé nition
Si, en modi ant in niment 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 :

Dé nition
Si, en modi ant in niment 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 :

Dé nition
Si, en modi ant in niment 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
Dé nition
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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000
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000
111

Détente d'un gaz dans le vide.
C'est évidemment irréversible, et même
pas quasistatique

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Détente de Joule

1111111
0000000
0000000
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000000
111111
000000
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Détente d'un gaz dans le vide.
C'est évidemment irréversible, et même
pas quasistatique

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Chau age d'une casserole

Chau age direct au gaz :
La température intérieure s'élève.
On a toujours :
T1

T
1

Text

111111111111
000000000000
000000000000
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000000000000
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000000000000
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000000000000
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000000000000
111111111111

T1 6= Text
La transformation n'est

pas réversible.

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Chau age d'une casserole

Chau age au bain-marie :
La température intérieure s'élève.
En permanence :
T1 T
1
Text

111111111111
000000000000
000000000000
111111111111
000000000000
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000000000000
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000000000000
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000000000000
111111111111

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 di érentielle :

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
dé ni 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
dé ni 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
dé ni 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
dé ni 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
111111
000000
111111
000000
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000000
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isolation
000000
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Travail de la pression
Un système de pression intérieure
comprimé de manière réversible.
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Travail de la pression
Un système de pression intérieure
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Le travail élémentaire reçu est :
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−pS ex

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− −
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= −pS .(−dx )
= p Sdx

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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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=

p est



− −
F · dx

= −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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000

−pS ex

=

p est



− −
F · dx

= −pS .(−dx )
= p Sdx

= −p dV
L'énergie interne

U

varie de :

∆U = W

../UPMC.png

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
Un système de pression intérieure p est
comprimé de manière réversible et
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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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1111111
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111111
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111111

dW

Thermostat
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0
1
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1111111
p

1
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dV
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1111111
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1
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1

111
000

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=



− −
F · dx

= −pS .(−dx )
= p Sdx

111111111111111111111111111111
000000000000000000000000000000
x

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