Thermodynamique I

But du cours

Mettre en place les bases de thermodynamique et l'application simple et conceptualisée du premier principe

Acquis d'apprentissage visés

• Savoir définir les états de la matière : fluide, solide et mésomorphe.

• Connaitre les caractéristiques de l'état fluide. Connaitre la notion de phase et la nomenclature des changements de phase.

• Connaitre la notion de système thermodynamique et connaitre les définitions de fermé, ouvert, isolé

• Savoir définir la notion de paramètre d’état

• Connaitre le principe zéro de la thermodynamique et la première définition de température.

• Connaitre le principe d’une échelle de température et connaitre l’échelle centigrade et kelvin

• Savoir définir la notion de thermostat, d’équilibre thermodynamique, fonction d’état (et ses propriétés)

• Transformations et évolutions : isochore, monotherme, isotherme, monobare, isobare, réversible, quasistatique,

-Élémentaire et adiabatique, grandeur conservative et non conservative.

• Comprendre l’insuffisance de la mécanique et la nécessité du concept d'énergie totale, température cinétique à partir de l’énergie cinétique microscopique

• Savoir définir la notion de chaos moléculaire et savoir justifier l’approche statistique

• Savoir définir l’homogénéité de la distribution des vitesses et isotropie des vitesses et la notion de vitesse quadratique.

• Connaitre les trois hypothèses du gaz parfait.

• Connaitre l’expression de la pression cinétique

• Savoir définir de la température cinétique et connaitre le théorème de l'équipartition de l'énergie.

• Savoir retrouver l’équation d'état du gaz parfait.

• Connaitre l’extrapolation aux gaz parfaits polyatomiques : notion de degrés de liberté de rotation et de vibration, conséquence sur l’énergie interne et les CV

• Savoir déterminer l’expression de l'énergie interne pour un gaz parfait monoatomique, et savoir définir la capacité cv.

• Connaitre quelques limites du gaz parfait : ex : le diagramme d'Amagat...

• Connaitre les hypothèses du modèle du gaz de Van der Waals et son équation

• Connaitre la notion de mélange idéal (Loi de Dalton)

Prérequis

Niveau attendu à l'entrée du module :

\begin{description}[style=nextline,leftmargin=0pt]
  \item[Mathématiques] Calcul différentiel et intégral à une variable ;
  dérivées partielles et différentielle totale d'une fonction de plusieurs
  variables ; notion de forme différentielle, distinction entre différentielle
  exacte (fonction d'état) et forme non exacte (grandeur de transfert) ;
  intégration le long d'un chemin.
  \item[Mécanique du point] Travail d'une force, énergie cinétique et théorème
  de l'énergie cinétique, énergie potentielle et énergie mécanique ; quantité
  de mouvement et bilan de quantité de mouvement (utile pour la pression
  cinétique et les chocs sur la paroi).
  \item[Physique générale] Notions de force, de pression et d'unités du
  Système international ; ordre de grandeur et homogénéité dimensionnelle.
  \item[Chimie générale] États de la matière, notion de mole, nombre
  d'Avogadro, masse molaire.
  \item[Outils statistiques élémentaires] Notion de valeur moyenne et de
  distribution d'une grandeur (support de l'approche statistique du chaos
  moléculaire et de la vitesse quadratique moyenne).
\end{description}

Programme

1. Langage de la thermodynamique

1. Le gaz parfait

1. 1er Principe appliqué au transfo simple du GP

Modalités d'évaluation

Contrôle continu intégral : 1 contrôle inopiné (≥ 20 min, 20 %), CC1 (≤ 2 h, 40 %, parties 1–2), CC2 (≤ 2 h, 40 %, programme complet) ; note finale = 0,20 (inopiné) + 0,40 (CC1) + 0,40 (CC2).

Bibliographie

\paragraph{Ouvrages de référence (cours et applications)}
\begin{itemize}[leftmargin=1.5em]
  \item J.-P.~Pérez, \emph{Thermodynamique. Fondements et applications}, Dunod.
  Référence pour la structure conceptuelle (langage, principes, gaz parfait).
  \item B.~Diu, C.~Guthmann, D.~Lederer, B.~Roulet, \emph{Thermodynamique},
  Hermann. Traitement rigoureux de la théorie cinétique, de la pression et de
  la température cinétiques, et de l'équipartition.
  \item C.~Lhuillier, J.~Rous, \emph{Introduction à la thermodynamique}, Dunod.
  Introduction progressive adaptée au niveau du module.
  \item M.-N.~Sanz, A.-E.~Badel, F.~Clausset, \emph{Physique tout-en-un},
  collection «~Tout-en-un~», Dunod. Pour le premier principe et les
  transformations simples du gaz parfait, nombreux exercices corrigés.
\end{itemize}

\paragraph{Approfondissement et aspects physico-chimiques}
\begin{itemize}[leftmargin=1.5em]
  \item P.~W.~Atkins, J.~de~Paula, \emph{Chimie physique}, De Boeck. Gaz réels
  (Van der Waals, diagrammes d'Amagat), mélanges idéaux, loi de Dalton.
  \item O.~Bonnefoy, \emph{Thermodynamique}, polycopié de cours, École des
  Mines de Saint-Étienne (disponible en ligne). Synthèse claire avec ouverture
  statistique.
\end{itemize}

\paragraph{Recueils d'exercices}
\begin{itemize}[leftmargin=1.5em]
  \item H.~Lumbroso, \emph{Thermodynamique --- Problèmes résolus}, Dunod.
\end{itemize}

Supports

Supports sur la plateforme moodle.