Thermodynamique II Chapitre 1

Responsable du Module

Bienvenus à la :

LA THERMODYNAMIQUE II

Mohammed Najib BARGACHMohammed Najib BARGACH

e-mail : [email protected]

FILIEREFILIERE SMP-4SMP-4

Module 16 - Physique 7Module 16 - Physique 7

Élément Élément 2 :2 :

Élément 2 : THERMODYNAMIQUE Élément 2 : THERMODYNAMIQUE IIII

Pré requis :Pré requis : Physique 1 – Thermodynamique I

Rappel des principes de la thermodynamiqueRappel des principes de la thermodynamique : : (Energie interne, Entropie, Postulat de Nernst-Planck, Energie libre).

Objectif :Objectif : Compléter la formation des étudiants en thermodynamique et s’initier aux principes de fonctionnement des machines thermiques, aux changements d’états et aux phénomènes irréversibles.Contenu :Contenu :

GénéralitésGénéralités : : Etat d’équilibre, Les différentes transformations (Isothermes, Adiabatiques, Isochores, Isobares, polytropiques), Energie thermique, Cycle de Carnot, Isothermes d’Andrews, Energie mécanique : Notion d’irréversibilité.

Thermodynamique de non équilibreThermodynamique de non équilibre

Application des principes de la thermodynamiqueApplication des principes de la thermodynamique : : Systèmesmécaniquement isolés, Systèmes ouverts, Transformation monotherme.

Changement d’étatsChangement d’états : : Changement de première espèce, Changement de second espèce, Relation d’Ehrenfest, Machines thermiques.

Chapitre 1

Généralités et définitionsGénéralités et définitions

1 - Qu’est-ce que la thermodynamique ?

Chapitre 1 : Généralités et définitionsChapitre 1 : Généralités et définitions

2 - Système thermodynamique

3 - Équilibre thermodynamique

4 - État thermodynamique

5 - Fonction d'état – Variable d’état

6 - Transformations thermodynamiques

SommaireSommaire

I - I - Qu’est - ce que la thermodynamiqueQu’est - ce que la thermodynamique ? ?

C'est une branche de la physique qui a pour objet :

l'étude de l'évolution de tout système physico-chimique,

en tenant compte des échanges éventuels d'énergie de

toute forme entre le système et l'extérieur :

chimique,

mécanique électrique,thermique,

de masse, ...

F = Po S

Énergie mécanique :

La variation de volume du gaz entre l’état initial correspondant au cas où le piston occupe la position A et l’état final où le piston occupe la position B est négative : dV = VB – VA = - S. dAB

Le travail reçu par le gaz est égal au travail de la force appliquée : dW = F.dAB

La pression exercée par le milieu extérieur sur le gaz est :

dW = - Po.dV

SF

Po

Par identification on trouve :

AB

S

gaz

Énergie électrique :On soumet une résistance électrique R à une différence de potentielu(t) entre ses bornes A et B.

En mesurant à chaque instant :

on déduit l’énergie électrique reçue par le système entre les instants t1

et t2 :

u(t) = uA – uB

A

B

Ru(t)

i(t)

2

1

t

tdt i(t) u(t) W

la différence de potentiel

i(t)et le courant

Four solaire ou radiateur Rayonnement solaire

Conduction Convection

Énergie thermique :

Énergie chimique :Lorsque deux atomes s'unissent pour former

une molécule, la liaison chimique créée

stabilise le système : ceci se traduit par une

libération d'énergie, généralement sous

forme de chaleur.

Les réactions de combustion sont des réactions exothermiques,

Éthane (C2H6) + Oxygène CO2 + Eau

Les réactions impliquées dans la cuisson des aliments sont

endothermiques : elles nécessitent un apport d'énergie pour fractionner

ou défaire des molécules souvent très complexes.

A l'inverse, pour rompre la liaison qui unit deux

atomes dans une molécule, il faut fournir de

l'énergie à cette molécule.

Expérience de James Joule (1843)

W = M1.g.h Q = W Q = c.M2.T

Carnot, Mayer, Clausius, Joule, ...

Etymologiquement, la thermodynamique devrait donc

être la théorie qui décrit l’inter conversion entre les

formes calorifique et mécanique de l’énergie.


étaient parmi les premiers physiciens s'intéressant aux

conversions réciproques de travail mécanique et de

chaleur.

Toutefois, la thermodynamique s’intéresse aujourd’hui à

un champ beaucoup plus vaste et son domaine s’étend

à l’inter conversion de toutes les formes d’énergie, de

telle sorte que le terme " Énergétique " serait

certainement plus approprié.

Le mot Thermodynamique, ayant depuis fort longtemps

été consacré par l’histoire, ne saurait pour autant être

remis en cause.


La thermodynamique est basée sur :

quatre principes fondamentaux


- Le principe zéroLe principe zéro : concerne la notion d'équilibre thermique.

- Le premier principe ou principe d'équivalenceLe premier principe ou principe d'équivalence : concerne le

caractère conservatif de l'énergie.

- Le deuxième principe ou principe de CarnotLe deuxième principe ou principe de Carnot : concerne la notion

d'irréversibilité et le concept d'entropie.

- Le troisième principe ou principe de NernstLe troisième principe ou principe de Nernst : concerne les

propriétés de la matière au voisinage du zéro absolu.


- l'approche statistique, s'appuie sur des considérations

moléculaires et sur le calcul de probabilité (Boltzmann,

vers 1875) ;

à établir les principes fondamentaux ;

en expliquer les propriétés à partir de lois naturelles

plus générales;

à pénétrer plus dans la structure de la matière ;

La thermodynamique peut être abordée à l'aide de

deux approches différentes :

elle cherche :


Ceci n’est possible qu’à la condition d’adopter un point

de vue macroscopique, les phénomènes étant alors pris

en compte indépendamment de leur support matériel.

élaborer une théorie visant à décrire et à prévoir les

phénomènes sans chercher à les expliquer.

La thermodynamique est susceptible d'être abordée à

l'aide de deux approches différentes :

- l'approche macroscopique, radicalement différente,

consiste à adopter une démarche phénoménologique :






Cette démarche est celle de la thermodynamique

phénoménologique. Les variables et les grandeurs

qu’elle met en jeu ont précisément ce caractère

macroscopique.



Vu son intérêt pratique et ses applications, nous nous

intéresserons essentiellement à la thermodynamique

phénoménologique avec à la fin, un chapitre sur la

thermodynamique du non équilibre.








II - II - Système thermodynamiqueSystème thermodynamique

En général, c'est l'ensemble des corps situés à l'intérieur d'une

surface géométrique () fermée, réelle ou imaginaire, appelée

frontière.

W > 0

Q > 0Q < 0

W < 0

( )

Milieu extérieur

Système

Cette frontière peut être déformable ou indéformable, mobile ou

fixe par rapport à un repère donné.

Le système à étudier, de masse déterminée, peut être constitué

par un seul corps (ou par plusieurs corps), est limité dans

l’espace (par rapport au milieu extérieur) par une paroi () fixe,

ou en cours de déformation.


W > 0

Q > 0Q < 0

W < 0

( )

Milieu extérieur

Système

Le système et le milieu extérieur peuvent ne pas présenter de

différences de nature, mais l’observateur les différencie par le

rôle qu’il leur fait jouer.

Les frontières les séparant pouvant être réelles ou fictives.


W > 0

Q > 0Q < 0

W < 0

( )

Milieu extérieur

Système

A travers la paroi () pourrait s’effectuer des échanges d’énergie

(mécanique, calorifique, électrique, ...), et éventuellement de

matière entre le système (milieu intérieur) et le milieu extérieur.


W > 0

Q > 0Q < 0

W < 0

( )

Milieu extérieur

SystèmeSystème

Nous conviendrons de compter positivement le travail et la chaleur

reçus par le système du milieu extérieur.

Une paroi séparant deux milieux est dite adiabatique lorsqu'elle

interdit l'échange de chaleur entre ces deux milieux.

Paroi adiabatique

Milieu 1

P1 , V1 , T1

Milieu 2

P2 , V2 , T2

Paroi adiabatique

Tout état d'équilibre thermique d'un milieu peut coexister avec tout

état d'équilibre thermique de l'autre.


De même, Une paroi séparant deux milieux est dite diathermane

lorsqu'elle permet l'échange de chaleur entre ces deux milieux.

Paroi diathermane

Tout déséquilibre thermique entre les deux milieux aura tendance

à diminuer pour atteindre un nouvel équilibre commun.

Milieu 1

P1 , V1 , T1

Milieu 2

P2 , V2 , T2

Paroi diathermane


Pour connaître l'évolution d'un système, il est nécessaire de

préciser les échanges vis à vis du milieu extérieur.


- - système isolésystème isolé : : système qui n'échange rien avec

l'extérieur (ni matière ni énergie) ;

- - système fermésystème fermé : : système qui échange de l’énergie avec

le milieu extérieur mais pas de matière ;

- - système ouvertsystème ouvert : : système qui échange énergie et

matière avec l'extérieur.

On appelle ainsi :


Exemples de systèmes thermodynamiques :

Système isolé

Frontière adiabatique et indéformable

Système fermé

Frontière indéformable

Échange d’énergie

Système ouvert

Frontière déformable et ouverte

W +


En thermodynamique, il est souvent intéressant de faire

le bilan des énergies qui sont transférées entre le

système et le milieu extérieur, c'est-à-dire comptabiliser

tout ce qui traverse la frontière.

Les principaux transferts susceptibles d'être opérés

sont les suivants :

1. Transfert-travail : opération de transfert d'énergie-travail

2. Transfert-chaleur : opération de transfert d'énergie-chaleur

3. Transfert de masse : opération de transfert de matière


RemarqueRemarque : :

Il convient de distinguer entre une énergie et l'opération qui

permet le transfert de cette énergie.

Nous appellerons alors :

- Energie-travail : énergie mise en jeu au cours d'un travail ;

- Transfert-chaleur : opération de transfert d'énergie-chaleur.

- Energie-chaleur : énergie mise en jeu lors d’un transfert de

chaleur ;

- Transfert-travail : opération de transfert d'énergie-travail ;


Système uniforme, système non uniformeSystème uniforme, système non uniforme : :

Si f désigne une grandeur physique quelconque (, , ,

…)

autre que l’espace (x, y, z) ou le temps t, un système est dit :Uniforme par rapport à fUniforme par rapport à f

0 f

k

z j

y i

x

Un système est uniforme lorsque cette propriété est vérifiée

quelle que soit la variable f considérée.

Non uniforme par rapport à fNon uniforme par rapport à f si

0 f

si f a la même valeur en tout points


Système homogène ou monophaseSystème homogène ou monophase : :

C’est un système uniforme par rapport à la distribution des

masses :

0 i, i

i

ii V

m

Il peut s'agir :

d'une phase simple : une seule substance chimique

- phase liquide (eau pure), …

- air, gaz de combustion, solution saline, …

d'une phase complexe : plusieurs substances chimiques

- phase gazeuse (O2, H2, N2, CO2 ), …


Système inhomogèneSystème inhomogène : :

C’est un système non uniforme par rapport à la distribution

des masses :

0 i, i

s’il existe Mo(xo,yo,zo) tel que :

Système hétérogèneSystème hétérogène : :

Un système est dit hétérogène :

lorsque (x,y,z) tend vers (xo,yo,zo)

)z,y,x(f

i

ii V

m


Convention de signe :Convention de signe :

Une grandeur reçue par le système est comptabilisée positivement

Pour exprimer le travail mécanique W dans le cas d'une

transformation thermodynamique, on utilise P et V.

Une grandeur cédée par le système est comptabilisée négativement

En mécanique, le travail élémentaire dWF d'une force est

défini comme étant le produit scalaire de cette force par le

déplacement élémentaire de son point d'application

F

d

W > 0

Q > 0Q < 0

W < 0

( )

Milieu extérieur

Système

Dans le cas d'un système adiabate et fermé, constitué par un

cylindre rempli de gaz et muni d'un piston mobile :


le travail élémentaire de la force de pression extérieure

(poids de la masse marquée) s’écrit :

P

P.d .dP W

)cos(.d.F d.F W2

1

2

1

1

2F

d


En prenant comme système le gaz contenu dans le récipient,

nous devons écrire :

où W est le travail élémentaire reçu par le gaz du récipient.

Si la transformation est suffisamment lente pour admettre qu’elle

est réversible :

Pression extérieure Pe = Pression du gaz Pg :

Le travail élémentaire .dVP - W g

.dVP .S.dP F.d .dF W ee

Pe étant la pression extérieure.

- Le principe zéro- Le principe zéro

- Le premier principe ou principe d'équivalence- Le premier principe ou principe d'équivalence

- Le deuxième principe ou principe de Carnot- Le deuxième principe ou principe de Carnot

- Le troisième principe ou principe de Nernst- Le troisième principe ou principe de Nernst

- Système isolé, Système fermé, Système ouvert- Système isolé, Système fermé, Système ouvert

- Système uniforme, système non uniforme- Système uniforme, système non uniforme

- Système homogène, système inhomogène- Système homogène, système inhomogène

- Système hétérogène- Système hétérogène

- Energie - Travail - Energie - Travail Transfert - TravailTransfert - Travail

- Energie - Chaleur - Energie - Chaleur Transfert - ChaleurTransfert - Chaleur

Généralités et définitionsGénéralités et définitions

Un système est en équilibre thermodynamique lorsque toutes les

grandeurs macroscopiques (P,V,T, …) qui caractérisent son évolution :

III - III - Équilibre thermodynamiqueÉquilibre thermodynamique

- restent fixes dans le temps.

- sont les mêmes en tout point d’une partie homogène du

système (chimique, mécanique et thermique)

Dans ce cas, il existe simultanément un équilibre :

Chimique Mécanique Thermique

L'équilibre chimiqueL'équilibre chimique : :


Considérons par exemple la réaction :

A l'équilibre, les concentrations des constituants chimiques A, B, C et D apparaissent constantes dans le temps bien que les molécules continuent à réagir les unes sur les autres :

A + B C + D

On dit que l’équilibre chimique est un équilibre dynamique ou stationnaire.


L'équilibre mécanique d'un solideL'équilibre mécanique d'un solide

La poussée d’Archimède exercée sur un objet est égale au poids

du fluide déplacé, c’est le principe d’Archimède :

AP

P

exige que la résultante des forces appliquées au système soit nulle.

0 gm P A

u

AP

P

S

F

u.g..V P FFA

u.g..V- u.g.m - P SSS


L'équilibre mécanique d'un gazL'équilibre mécanique d'un gaz

Exige que la pression qui règne au sein du fluide soit partout la

même et équilibrée par la réaction des parois.

On considère un ballon rempli d'un gaz

à la pression P1, dans l'atmosphère d'une

pièce ou la pression est P2.

P1

P2

Si on suppose que P1 est différente de P2, (P1 > P2 ou P1 < P2 )

alors on n'a pas d'équilibre mécanique.

On supposera que P1 > P2.


L'équilibre mécanique d'un gazL'équilibre mécanique d'un gaz

Pour atteindre un

équilibre, le volume du

ballon doit augmenter

P1

P2

Après un certain temps, le volume du ballon

est tel que la pression du gaz à l'intérieur est

la même que la pression atmosphérique :

c’est l’équilibre

P1

P2

P

P

La pression dans la pièce a donc un peu augmenté :

P2 < P < P1


L'équilibre thermique au sein d'un systèmeL'équilibre thermique au sein d'un système

exige que toutes les parties soient à la même température à

moins que les différentes parties du système ne soient séparées

par des parois parfaitement adiabates.

L’équilibre thermodynamique d’un systèmeL’équilibre thermodynamique d’un système


PerturbationX

temps

Xéquilibre

to

est stable si toutes les grandeurs thermodynamiques qui le

caractérisent reviennent, dans un temps plus ou moins long, à

leurs valeurs initiales, après la disparition d’une influence ayant

causé une petite perturbation du système :

IV - IV - État thermodynamiqueÉtat thermodynamique

L'état thermodynamique d'un système est l'ensemble de valeurs,à un instant donné, des paramètres indépendants qui

caractérisent le système.

L'ensemble de valeurs des réponses à un instant donné, obtenu

à partir d'un ensemble de valeurs de contraintes choisies audépart définit l'état thermodynamique d'un système.

Système

Contraintes Réponses


Si Xi (i = 1, ..., n) sont les réponses du système, l'espace à n

dimensions des Xi variables s'appelle : espace des réponses ou

espace de phases.

Dans cet espace, l'état du système est représenté par un pointde coordonnées (X1, X2, ....., Xn) qui décrit une trajectoire en

fonction du temps.

Si, quelque soit i, on a :

la trajectoire se réduite à un point, l'état du système est dit stationnaire.

0 dt

dXi


L'état d'un système monophase en équilibre est décrit par sacomposition chimique, sa masse, et un certain nombre de

grandeurs appelées fonctions d'état, en particulier :

le volume (V) la pression (P) la température (T)

l'énergie interne (U)

l'enthalpie (H)

l'entropie (S)

l'énergie libre (F)

l'enthalpie libre (G)


En général, l'état d'un système monophase, chimiquement inerteet en équilibre, est entièrement déterminé par :

- sa composition chimique ;

- sa masse ;

Dans ce cas, si deux fonctions d'état indépendantes sont fixées,toutes les autres fonctions d'état le sont aussi :

- deux fonctions d'état indépendantes (P et V par exemple).

le système est dit bivariant.

V - V - Fonction (variable) d’étatFonction (variable) d’état

a) a) DéfinitionDéfinition : :

Une forme différentielle :

Une fonction d'état ou variable d’état, est une fonction dont la

forme différentielle est une différentielle totale exacte.

dF = P(x,y,z).dx + Q(x,y,z).dy + R(x,y,z).dz

est une différentielle totale exacte si :

z,y)xF(P

z,x)y

F(Q y,x)z

F(R

dz)zF(dy)

yF(dx)

xF( dF y,xz,xz,y

ou :



L’intégrale de dF dans ce cas

est égale à la différence des

valeurs que prend la fonction F

aux points A et B.

L'accroissement de F entre A et B ne dépend que de l'état initial

et de l'état final :

)z,y,F(x - )z,y,F(x dF )B,A(F AAABBB

B

A

A

B1

2



Pour distinguer entre une différentielle totale et une forme

différentielle quelconque on note :

d : symbole pour une différentielle totale

: symbole pour une différentielle quelconque

W, Q, …

dU, dS, dH, …


b) b) ConséquencesConséquences : :

L'intégrale curviligne de la différentielle d'une fonction d'état

le long d'un contour fermé est nulle :

0 U dU

L'intégrale curviligne de la différentielle d'une grandeur de

parcours, le long d'un contour fermé, est en général non nulle :

0 W

0 S dS

0 Q

Ces propriétés montrent qu'un système thermodynamique

peut échanger du travail et/ou de la chaleur avec l'extérieur

même en décrivant un cycle (une trajectoire fermée).



Le choix des variables d'état dépend de la nature du problème

traité.

Nous pouvons séparer l'ensemble de ces variables d'état en :

- variables d'état dites

"extensives""extensives", proportionnelles

à la quantité de matière du

système,

- variables d'état dites

« intensives"« intensives",

indépendantes de la

quantité de matière, donc

par extension,additivesadditives ; non additivesnon additives ;



- la température ;

- la vitesse ;

- l’accélération ;

- la pression ;

- la densité des particules ;

- la masse volumique ;

- la tension superficielle, etc…

Parmi les grandeurs intensives

courantes, on peut citer :

Parmi les grandeurs extensives

courantes, on peut citer :

- la masse ;

- le volume ;

- la surface, la longueur ;

- le nombre de particules ;

- la charge électrique ;

- l’entropie, l’enthalpie ;

- le débit, les forces, etc...

VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiques

Une transformation thermodynamique est l'opération au cours de

laquelle l'état du système se modifie en passant d'un état initial 1

à un état final 2.

1

(P1,V1,T1, …)

2

(P2,V2,T2, …)

Un système peut ainsi subir une seule transformation (1-2)

ou parcourir une suite de transformations (1-2, 2-3, 3-4, etc.).


Un système peut ainsi subir une seule transformation (1-2)

ou parcourir une suite de transformations (1-2, 2-3, 3-4, etc.).

12

3 4

(P1,V1,T1, …)(P2,V2,T2, …)

(P3,V3,T3, …) (P4,V4,T4, …)

Le diagramme H-S s'identifie au diagramme T-S à un changement de l'échelle des

ordonnées près (h = cpT + cste).

P

V

AB

C DP1

P2

VC VD VAVB

P

V

A

C DP1

P2

VC VD VA

B

Diagrammes P-V

T

S

CB

A B

SBSA

D

T1

T2

Q1 = T1 (SB - SA)

Q2 = - T2 (SB - SA)

W = Q1 + Q2

Diagramme T-S


Les transformations sont caractérisées par des dénominations

(appellations) précisant leur nature.

Dans le cas général, lors d’une transformation, lorsque toutes les

variables d'état changent simultanément, la transformation est

parfois dite "polytropique".

Il est possible que certaines variables d'état restent constantes

lors d'une transformation thermodynamique.

Selon la transformation, on distingue les cas suivants :


• Quand le volume du système reste constant V = 0 :

nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isochore " ;

• Quand la pression du système reste constante P = 0 :

nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isobare " ;

• Quand la température du système reste constante T = 0 :

nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isotherme " ;

• Quand l’énergie interne du système reste constante U = 0 :

nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isénerge " ;

Selon la transformation, on distingue les cas suivants :


• Quand l’enthalpie du système reste constante H = 0 :

nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isenthalpe " ;

• Quand l’entropie du système reste constante S = 0 :

nous disons qu'il s'agit d'une transformation " isentrope " ;

• Quand le système n’échange pas d’énergie chaleur avec l’extérieur Q = 0 : la transformation est dite adiabate ;

• Quand la transformation adiabate est réversible, elle est dite isentrope.

On distingue deux types d’opérations :


Transformations réversibles et irréversiblesTransformations réversibles et irréversibles

• Les opérations mécaniquesLes opérations mécaniques

• Les opérations thermiquesLes opérations thermiques

(transfert-travail et transfert de masse)

Chacune des opérations peut donner lieu à un phénomène

réversible ou irréversible.

(transfert de chaleur ou transfert-chaleur).

a)a) Opération mécaniqueOpération mécanique ::


On considère un cylindre

thermiquement isolé, rempli d’un

gaz et muni d’un piston susceptible

de se déplacer sans frottement.

On exerce une force sur le piston

de façon à le déplacer de la

position 1 à 2.

Au cours de cette compression, le

gaz reçoit de l’extérieur le travail W.

Compression d’un gaz

2 1

W

12


Le système répond à cette action extérieure :

- il évolue de façon à adapter ses réponses aux contraintes

imposées,

Du point de vu thermodynamique, la vitesse avec laquelle on

effectue l'opération joue un rôle très important :

a)a) Opération mécaniqueOpération mécanique

- mais la réponse à une perturbation extérieure n'est

jamais instantanée.


- - si le déplacement est très rapidesi le déplacement est très rapide : :


juste après l'application de la perturbation, le système va se

trouver en déséquilibredéséquilibre :

température et pression non uniformes,

volume massique variable dans l'espace, ...

On ne retrouve un état d'équilibreéquilibre qu'un certain temps après

l'arrêt du piston : la transformation 1-2 est dite irréversible. la transformation 1-2 est dite irréversible.

L'expérience montre qu'il est impossible de ramener le système

de l’état 2 à l'état 1 en mettant en jeu une énergie - travailénergie - travail égale

en valeur absolue à WW.



le système subit des déséquilibres moins importants.

- - si le déplacement se fait lentementsi le déplacement se fait lentement : :

A la limite, lorsque le déplacement s'effectue infiniment

lentement, le système reste tout le temps en équilibre entre

1 et 2.

la transformation est dite réversible.la transformation est dite réversible.

Il est possible dans ce cas de ramener le système à l'état 1 en

mettant en jeu un travail égale à - W- W :



La vitesse n'est pas une cause d’irréversibilité : la cause

mécanique d'irréversibilité c'est le frottement.

Dans l'expérience de Joule, si la viscosité du fluide est nulle,

la température restera constante quelque soit l'énergie-travail

fournie au système.

Dans un fluide le frottement est dû à sa viscosité.

La chute d'une pierre dans un fluide n'amortit pas sa vitesse si

la viscosité du fluide est nulle, etc.

Lors d’un frottement, on assiste toujours à une transformation

spontanée de l’énergie mécanique en énergie thermique.



On dit que l'énergie mécanique est plus noble que l’énergie

thermique, de même, l’énergie électrique est plus noble que

l'énergie mécanique.

Cette perte d'énergie par frottement, nous l’appellerons par la

suite une dissipation.

De ce fait, on conçoit d'une manière générale qu'il est plus facile

de transformer l'énergie mécanique en énergie thermique que

l'inverse.


Soit une masse de fluide en contact avec une source

thermique dont elle est séparée par une paroi conductrice.

Source Fluide

Ts Tf

A l’état initial 1, le fluide est en équilibre avec la source à la

température Tf1 = Ts1

b)b) Opération thermique (transfert-chaleur)Opération thermique (transfert-chaleur)


En modifiant la température TS de la source, on peut provoquer

un transfert-chaleur entre la source et le système :

le système évolue vers un autre état d'équilibre final 2, et reçoit

au cours de cette opération l'énergie-chaleur Q.

Source Fluide

Ts Tf

Q



Si nous modifions la température de la source d'une façon

rapide à partir de l'instant to, le système qui était en équilibre

dans l'état 1 se trouve en déséquilibre dès le temps t1 + dT et

ne retrouve un nouvel état d’équilibre thermique à T2 = Ts2

qu'un certain temps après l'arrêt de la modification de Ts.

Température

To

Ts

Q

Source

Espace

Système

Paroi

T(t)

Profil de température dans la paroi conductrice et dans son voisinage.



Ce qui est important à considérer ici c’est que l’énergie

chaleur Q passe d'un niveau énergétique caractérisé par la

température Ts à un niveau énergétique caractérisé par la

température T < Ts.

Température

To

Ts

Q

Source

Espace

Système

Paroi

T(t)

Profil de température dans la paroi conductrice et dans son voisinage.


T

tto

Influence de la variation de Ts sur l’irréversibilité de l’opération

Plus la vitesse de variation de Ts est faible, moins il y a déséquilibre et moins l'opération est irréversible.

VI – Transformations thermodynamiquesVI – Transformations thermodynamiquesb)b) Opération thermique (transfert-chaleur)Opération thermique (transfert-chaleur)

- Une opération thermique réversible est une succession d'états d'équilibre thermique.

- Tout transfert-chaleur avec chute de température est une opération thermique irréversible.

- Un transfert-chaleur ne tend vers une opération thermique réversible qu'à la limite où la chute de température est nulle.

- Le passage d'énergie thermique se fait toujours

spontanément de la température la plus élevée à la

température la plus basse.


RemarquesRemarques : :

D'une manière générale, il est plus facile de faire passer de

l'énergie thermique d'un corps à température plus élevée à un

corps à température plus basse.

Le phénomène de diminution du niveau d'énergie qui

accompagne le transfert-chaleur est un phénomène de

dévalorisation.

Nous appellerons par la suite dévalorisationdévalorisation, la perte d'énergie

par transfert-chaleur avec chute de température.


RemarquesRemarques : :

Donc un transfert de chaleur est d'autant plus précieux que le

niveau d'énergie est plus élevée.

FIN DU CHAPITRE 1FIN DU CHAPITRE 1

Documents

Thermodynamique II Chapitre 1