Thermodynamique II

But du cours

Le but du cours est de fournir a l’etudiant les bases conceptuelles et methodologiques de la thermodynamique classique necessaires a la comprehension et a l’analyse des transformations de l’energie. L’enseignement vise a :

• Comprendre les principes fondamentaux de la thermodynamique (premier et deuxieme principes) et leurs consequences.

• Savoir etablir des bilans energetiques et entropiques pour des systemes fermes ou ouverts.

• Decrire et quantifier les changements d’etat et les transformations de gaz parfaits.

• Analyser le fonctionnement des machines thermiques (moteurs, recepteurs, cycles reversibles et reels).

• Developper une approche scientifique rigoureuse permettant de modeliser et d’optimiser les systemes energetiques.

Acquis d'apprentissage visés

• Identifier les modes d’echanges d’energie : travail (W) et chaleur (Q).

• Appliquer le premier principe et calculer Q, W, $\Delta U$, $\Delta H$.

• Exploiter les bilans energetiques selon les transformations (isobare, isochore, isotherme, adiabatique).

 

• Utiliser les capacites thermiques et realiser un bilan calorimetrique.

• Relier chaleur, temperature et energie interne dans les cas usuels.

 

• Interpreter les transformations sur un diagramme de Clapeyron.

• Appliquer les lois de Joule, Laplace et Dulong-Petit.

 

• Enoncer le deuxieme principe et definir l’entropie.

• Etablir des bilans entropiques pour des systemes simples.

 

• Comprendre le fonctionnement des machines thermiques et calculer leur rendement.

• Decrire pompes a chaleur et refrigerateurs.

• Identifier les changements d’etat et utiliser les relations de Clapeyron.

Prérequis

• Physique generale : grandeurs fondamentales (masse, volume, pression, temperature, energie), unites SI et lecture de diagrammes ($P$–$V$, $T$–$S$).

• Mecanique classique : travail, energie mecanique et principe fondamental de la dynamique.

• Mathematiques appliquees : derivation, integration, equations differentielles, fonctions logarithmiques et exponentielles.

• Chimie et matiere condensee : etats physiques, changements d’etat et liaisons intermolculaires.

• Culture scientifique : ordres de grandeur energetiques, systemes simples (gaz parfait, solide, liquide) et demarche scientifique.

Programme

1. Deuxieme principe de la thermodynamique

• Enoncer le deuxieme principe et definir la notion d’entropie.

• Appliquer le principe aux systemes isoles ou stationnaires.

• Distinguer les transformations reversibles et irreversibles.

• Utiliser les identites fondamentales et retrouver les lois de Laplace pour les cas isentropiques.

• Realiser des bilans entropiques simples (detente de Joule-Gay Lussac, contact thermique).

2. Machines thermiques (moteurs)

• Definir machine thermique, moteur et recepteur.

• Etablir les bilans energetiques et entropiques.

• Calculer rendement et efficacite.

• Identifier machines monothermes (enonce de Kelvin) et dithermes (diagramme de Raveau).

• Expliquer le cycle et rendement de Carnot et le comparer aux cycles reels (Beau de Rochas, Watt).

• Decrire les pompes a chaleur et refrigerateurs.

3. Changements d’etat

• Identifier les principaux changements d’etat (fusion, vaporisation, etc.).

• Utiliser les diagrammes de phases ($P$–$T$, $P$–$V$).

• Connaitre point triple et point critique.

• Appliquer les relations de Clapeyron et Clausius-Clapeyron.

• Relier les changements d’etat aux variations d’enthalpie et d’entropie.

Modalités d'évaluation

2 Ecrits (2h/2h)

Bibliographie

• P. Perrot, Thermodynamique de l’ingenieur, Dunod, 2018.

• M. Borel et J.-L. Battaglia, Thermodynamique – Cours et exercices corriges, Dunod, 2021.

• H.B. Callen, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, Wiley, 1985.

• Ressources en ligne : FUN-MOOC Thermodynamique; PhET Simulations; NIST WebBook.

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