P9 - Introduction À La Thermodynamique
P9 - Introduction À La Thermodynamique
P9 - Introduction À La Thermodynamique
: Introduction à la thermodynamique
Le mot thermodynamique est formé de l’assemblage des racines « therm- »
(chaleur) et « dynam- » (force) et désigne l’étude de la conversion d’énergie
thermique en énergie mécanique et inversement.
C’est une science récente, fondée avec l’ouvrage « Réflexions sur la puissance
motrice du feu » du physicien français Sadi Carnot en 1824. L’un de ses sujets
d’étude décrit le fonctionnement de la machine à vapeur, qui provoque le
mouvement de la locomotive grâce à la combustion du charbon selon un cycle appelé « cycle de Carnot ».
C’est à partir de cette étude et l’énoncé des lois fondamentales appelées « principes » de la thermodynamique que l’on
a pu développer et optimiser les moteurs à explosion des automobiles.
Pb : Qu’est-ce que l’énergie interne d’un système ? Comment peut-elle varier ?
Comment faire le bilan d’énergie d’un système thermodynamique ?
Si on se réfère à l’étude mécanique faite dans les chapitres précédents, cette eau de masse
totale m, ramenée à son centre de masse C, possède une énergie mécanique Em = Ec + Epp liée à la vitesse de
déplacement et à l’altitude du centre de masse C.
Nous l’appellerons énergie mécanique macroscopique car elle concerne le système dans son ensemble.
La somme des deux formes une énergie mécanique microscopique Fig.1 : Agitation thermique Fig.2 : Interactions
appelée énergie interne et notée U. des particules électrostatiques des
particules
A retenir :
L’énergie interne U d’un système thermodynamique est la somme des énergies cinétiques microscopiques (liées à
l’agitation des particules) et des énergies potentielles microscopiques (liées aux interactions électrostatiques
microscopiques entre particules) de toutes les particules qui constituent le système. Elle s’exprime en joule (J).
Remarques :
- L’énergie totale Etot d’un système thermodynamique est donc : Etot = Em + U et sa variation est ΔEtot = ΔEm + ΔU
- Etant donnée la complexité de décrire le mouvement de toutes les particules qui constituent un système, il n’est pas
possible de calculer l’énergie interne U d’un système. On peut cependant calculer sa variation ΔU lors d’une
transformation.
Exemple :
Un gaz est placé dans un cylindre, muni d’un piston mobile de surface S = 1,0 × 10 -3 m². L’air extérieur est à la pression :
P0 = 1,0 × 105 Pa.
1. Calculer la valeur de la force de pression ⃗
F exercée par l’air extérieur sur le
piston.
3. En déduire s’il s’agit d’un travail reçu ou cédé par le système « gaz dans le piston ». Justifier.
Cette loi fondamentale traduit le principe de conservation de l’énergie et généralise le théorème de l’énergie
mécanique. Elle permet d’effectuer le bilan énergétique d’un système thermodynamique subissant une transformation.
A retenir :
La variation d’énergie interne ΔU d’un tel système incompressible (liquide ou solide) est proportionnelle à sa variation
de température ΔT :
ΔU = C × ΔT avec ΔU en J et ΔT en kelvin(K)
Le coefficient de proportionnalité noté C est appelé capacité thermique du système. Elle s’exprime en J.K —1. Elle
correspond à la quantité d’énergie qu’il faut fournir au système pour élever sa température de 1 K (ou 1°C).
Remarques :
- Comme il s’agit d’une variation de température, on peut raisonner
J. kg—1. K—1
directement en degré Celsius : ΔU = C × Δθ.
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Exercices : 43 p. 448
A retenir :
A retenir :
Application :
- Un mur laisse passer, en une heure, une énergie Q = 1,5 . 10 3 J. Quel est le flux thermique correspondant ?
Soit une paroi plane dont l’une des faces est à la température T 1 et l’autre à la température T 2, avec T1>T2. Cette paroi
est traversée par le flux thermique Φ. La résistance thermique R th de la paroi est définie par :
T 1−T 2
Rth = Rth s’exprime en ……………………..
Φ
T1 et T2 en °C ou K
Φ en W.
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Résistance thermique de quelques matériaux
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Exercices : 31 et 32 p. 446
On appelle thermostat un objet dont la température reste constante. Le milieu extérieur peut souvent jouer le rôle de
thermostat pour un système étudié.
On considère ici un système thermodynamique au repos, fermé et incompressible, en contact avec un thermostat avec
lequel il échange de l’énergie thermique sous forme convective.
Point Maths
ax b
Les solutions d’une équation différentielle y ’=a y +b avec a ≠ 0 sont de la forme : y=K × e − avec K une
a
constante d’intégration réelle déterminée à partir des conditions initiales.
c. Allure de la courbe donnant la température d’un système en contact avec un thermostat, en fonction du
temps