1Transformations thermodynamiques : le vocabulaire
Définition. Une transformation fait passer un système fermé d’un état d’équilibre initial à un état d’équilibre final , sous l’effet d’une modification des contraintes imposées par le milieu extérieur. Les états intermédiaires, eux, ne sont pas nécessairement des états d’équilibre.
Notation. Les grandeurs du système sont notées sans indice (, , ) ; celles du milieu extérieur portent l’indice « ext » (, ). Le préfixe iso- porte sur une grandeur du système, le préfixe mono- sur une grandeur du milieu extérieur.
| Transformation | Définition | Conséquence immédiate |
|---|---|---|
| isochore | ||
| isotherme | définie à chaque instant et constante | et pour un gaz parfait |
| monotherme | (un seul thermostat) | si les états extrêmes sont des équilibres |
| isobare | définie à chaque instant et constante | |
| monobare | quel que soit le chemin | |
| adiabatique | (paroi calorifugée, ou évolution rapide) | |
| cyclique | et |
Définition. Une transformation est quasi statique si le système passe par une suite continue d’états d’équilibre interne : son évolution est lente devant les temps de relaxation internes, de sorte que et y restent définies et uniformes. Elle est réversible si elle est quasi statique et si le système reste à chaque instant en équilibre mécanique et thermique avec l’extérieur ( et ) : l’évolution inverse, obtenue en renversant le film, est alors elle aussi physiquement possible.
Monotherme et quasi statique isotherme. Monobare et quasi statique (mécaniquement) isobare. Les réciproques sont fausses, et une transformation monobare n’est en général pas isobare : lorsqu’on pose brutalement une masse sur un piston, la pression du gaz n’est définie ni uniforme pendant toute l’évolution, alors que est bien constante. Enfin réversible quasi statique, mais une transformation quasi statique avec frottements secs sur le piston n’est pas réversible.
2Travail des forces de pression
Théorème — expression du travail élémentaire. Un fluide est enfermé dans un cylindre de section fermé par un piston, le milieu extérieur exerçant sur la face externe du piston la pression . Si le piston se déplace de vers l’extérieur, la force pressante extérieure fournit au système le travail . Comme :
Ce résultat, établi sur le piston, se généralise à une paroi déformable quelconque.
Remarque. Le signe se contrôle sans calcul : en compression le système reçoit du travail ( donc ), en détente il en cède (). La convention est celle du programme : toute grandeur d’échange est comptée positivement si elle est reçue par le système.
Propriété — les trois cas usuels.
- Transformation isochore : à chaque instant, donc
Transformation monobare ( constante) : sort de l’intégrale, donc
sans aucune hypothèse sur le chemin — c’est la force de ce cas.
Transformation quasi statique et mécaniquement réversible : l’équilibre mécanique impose à chaque instant, donc où est la pression du système, que l’équation d’état exprime en fonction de . Pour un gaz parfait à température constante, et
Propriété — interprétation graphique. Pour une transformation quasi statique et mécaniquement réversible, et pour elle seule, le point représentatif décrit une courbe dans le diagramme de Clapeyron et
où est l’aire algébrique sous la courbe, comptée positivement si croît. Pour un cycle, avec l’aire intérieure comptée positivement si le cycle est parcouru dans le sens horaire ; ainsi
Figure 1 — Interprétation géométrique du travail des forces de pression dans le diagramme de Clapeyron, valable uniquement pour une transformation quasi statique et mécaniquement réversible. À gauche : est l’aire comprise entre la courbe et l’axe des volumes. À droite : sur un cycle, est l’aire intérieure, et le sens de parcours donne le signe.
fait intervenir la pression extérieure, jamais celle du système. Écrire avec la pression du gaz n’est licite que si la transformation est isobare ; écrire avec la pression du gaz exige la quasi-staticité mécanique. Hors de ces cas, la pression du système peut même ne pas être définie, et la courbe n’existe pas dans le diagramme de Clapeyron : on ne la trace alors pas, on relie les deux points par un pointillé.
3Transfert thermique
Définition. Le transfert thermique est l’énergie échangée par le système avec l’extérieur autrement que par un travail macroscopique : à l’échelle microscopique, elle est transmise par l’agitation désordonnée des particules. Comme , c’est une grandeur d’échange, comptée positivement si elle est reçue.
Propriété — les trois modes de transfert.
- conduction : transmission de proche en proche par l’agitation thermique, sans déplacement macroscopique de matière ; seul mode possible dans un solide (cuillère dans une casserole) ;
- convection : transport par un mouvement macroscopique du fluide, naturel (air chaud qui monte au-dessus d’un radiateur) ou forcé (ventilateur, pompe) ; beaucoup plus efficace que la conduction dans les fluides ;
- rayonnement : échange par ondes électromagnétiques, sans support matériel ; seul mode possible à travers le vide (chaleur reçue du Soleil).
Définition. Un thermostat (ou source thermique) est un système dont la température reste uniforme et constante quels que soient les transferts thermiques qu’il échange : sa capacité thermique est très grande devant celle du système étudié. Exemples : l’atmosphère, la mer, un bain thermostaté, un mélange eau-glace à sous .
ne signifie pas : une compression adiabatique échauffe un gaz (le travail reçu augmente son énergie interne). Réciproquement, une détente isotherme d’un gaz parfait a donc : elle est tout sauf adiabatique. Confondre les deux est l’erreur la plus coûteuse du chapitre.
4Le premier principe
Théorème — premier principe pour un système fermé. Il existe une fonction d’état extensive , l’énergie interne, telle que pour tout système fermé macroscopiquement au repos dans les états initial et final,
où est le travail total reçu et le transfert thermique total reçu. Si le système est de plus animé d’un mouvement d’ensemble, .
Propriété — forme entre deux états voisins. Entre deux états d’équilibre infiniment voisins,
On écrit (différentielle d’une fonction d’état) mais et (formes élémentaires qui ne sont pas des différentielles).
est une fonction d’état : ne dépend que des états extrêmes, et peut donc se calculer sur n’importe quel chemin reliant ces deux états, en particulier un chemin fictif commode. et , eux, dépendent du chemin réellement suivi : ce ne sont pas des fonctions d’état. On n’écrit donc jamais , jamais , et on ne parle jamais de « la variation du travail ». Enfin et ne sont pas « contenus » dans le système : seule leur somme est une variation de contenu.
Méthode — la méthode universelle du chapitre. (i) définir le système (fermé !) et recenser ses échanges ; (ii) préciser la nature de la transformation et en déduire les conditions imposées par l’extérieur, ce qui donne l’état final ; (iii) calculer (ou ) par la fonction d’état, à partir des seuls états extrêmes ; (iv) calculer sur le chemin réel ; (v) en déduire Jamais l’inverse : est presque toujours l’inconnue du problème.
Propriété — extensivité. Si un système se décompose en sous-systèmes disjoints, et . Un bilan sur le système total est donc la somme des bilans partiels : c’est ce qui permet de traiter un mélange, un corps pur diphasé, ou l’ensemble « contenu + calorimètre ».
5Énergie interne, enthalpie, capacités thermiques
Définition. La capacité thermique à volume constant est et la capacité thermique à pression constante , toutes deux en . On note (massique, en ) et (molaire, en ).
Définition. L’enthalpie d’un système est la fonction d’état extensive
où est la pression du système (définie dans les états d’équilibre considérés). Elle s’exprime en joules.
Théorème — bilan enthalpique en transformation monobare. Pour une transformation monobare () telle que le système soit en équilibre mécanique dans l’état initial et dans l’état final () :
Démonstration. Le premier principe donne avec, la transformation étant monobare, . Donc
la troisième égalité utilisant . C’est tout l’intérêt de : elle transforme le transfert thermique, grandeur de chemin, en variation d’une fonction d’état.
Théorème — lois de Joule et conséquences pour le gaz parfait. Pour tout gaz parfait :
- première loi de Joule : ne dépend que de , donc et si est constante ;
- deuxième loi de Joule : ne dépend que de , donc et si est constante.
En dérivant par rapport à , on obtient la relation de Mayer
| Gaz parfait | () | Exemples | |||
|---|---|---|---|---|---|
| monoatomique | , , vapeurs métalliques | ||||
| diatomique (usuel) | , , air, , |
Théorème — phase condensée incompressible et indilatable. Le volume est constant, donc et ne dépendent que de , et
Justification pour : avec , donc . Pour d’eau, : une variation de pression de donne , à comparer aux que coûte un seul kelvin. Le terme de pression est donc négligeable : pour une phase condensée, et il est inutile de distinguer et .
Eau liquide : — l’ordre de grandeur à citer, remarquablement élevé, qui fait de l’eau le fluide caloporteur universel. Glace : ; vapeur d’eau : ; air : ; métaux usuels : à (cuivre , fer , aluminium ). Pour les solides, la loi de Dulong et Petit donne le repère : c’est bien qui explique le faible massique des métaux lourds. Repère de calcul : chauffer d’eau de à demande , soit un peu plus de sous .
6Transitions de phase
Définition. À la température , sous la pression d’équilibre , l’enthalpie massique de changement d’état est la variation d’enthalpie par unité de masse lors du passage complet de la phase à la phase , à et constantes. La transformation étant alors monobare, c’est aussi le transfert thermique massique à fournir :
Valeurs à connaître pour l’eau : et . Au point triple, .
Propriété — enthalpie d’un système diphasé. L’enthalpie étant extensive, un système de masse de titre en vapeur vérifie , soit
où et sont les enthalpies massiques du liquide saturant et de la vapeur saturante à la température considérée.
Figure 2 — Courbe de chauffage de d’eau sous , de à . Les paliers correspondent aux changements d’état : pendant toute leur durée, le système reçoit de l’énergie sans que sa température varie. Les longueurs relatives parlent d’elles-mêmes : réchauffer la glace coûte , la fondre , porter l’eau de à , et la vaporiser — soit cinq fois plus que le chauffage du liquide et sept fois plus que la fusion.
Méthode — bilan énergétique avec changement d’état. L’enthalpie étant une fonction d’état, on décompose le chemin en étapes élémentaires dont le bilan est connu, sans se préoccuper du chemin réel : paliers de chauffage (, une phase à la fois, avec le de cette phase) et paliers de changement d’état (, à température constante). Puis on somme. Il faut impérativement vérifier que chaque changement d’état va bien jusqu’à son terme : si l’énergie disponible ne suffit pas, l’état final est diphasé et c’est la masse convertie qui est l’inconnue, la température restant celle du palier.
7Calorimétrie
Définition. Un calorimètre est une enceinte calorifugée ( pour l’ensemble de son contenu) dont l’intérieur est à la pression atmosphérique constante : la transformation subie par le contenu est donc à la fois adiabatique et monobare, ce qui donne, par le bilan enthalpique,
Le vase calorimétrique et ses accessoires (agitateur, thermomètre, résistance) participent aux échanges : on les caractérise par une capacité thermique globale , souvent donnée sous forme de valeur en eau définie par — c’est la masse d’eau qui aurait la même capacité thermique.
Méthode — méthode des mélanges. Le calorimètre, de capacité , contient une masse d’eau à l’équilibre thermique à ; on y introduit un corps de masse , de capacité massique , à la température . L’ensemble évolue vers l’équilibre à , et s’écrit
est une moyenne pondérée des températures initiales, les poids étant les capacités thermiques : elle est donc toujours comprise entre et — contrôle à faire systématiquement. Résolue en , la même relation mesure une capacité thermique massique ; résolue en avec deux masses d’eau, elle étalonne le calorimètre.
(i) Oublier : le calorimètre se met à la température finale lui aussi, et sa capacité n’est pas négligeable. (ii) Oublier un palier de changement d’état : introduire de la glace à , c’est apporter en plus du . (iii) Supposer la fusion totale sans la vérifier : si le calcul donne alors qu’il reste de l’eau liquide, l’hypothèse est absurde et l’état final est en réalité le palier avec coexistence glace-eau.
8Complément numérique (Python)
Remarque. Le programme ne prévoit aucune capacité numérique exigible dans cette partie. Les deux fonctions ci-dessous servent à contrôler un travail calculé par intégration et une température finale de calorimétrie.
import numpy as np
from scipy.optimize import brentq
def travail(Pext, V1, V2, N=20000): # W = - integrale de Pext dV
V = np.linspace(V1, V2, N) # Pext : fonction du volume
return -np.trapezoid(Pext(V), V)
n, R, T = 1.0, 8.314, 300.0
print(travail(lambda V: n*R*T/V, 1.0e-3, 5.0e-3)) # -> -4014 J = -nRT ln 5
print(travail(lambda V: 1.0e5 + 0*V, 1.0e-3, 5.0e-3)) # -> -400 J (monobare)
ceau, cfer, Lf = 4180.0, 460.0, 334.0e3
def bilan(Tf, mg=0.050, m1=0.300, Ccal=85.0, T1=293.15):
"""Enthalpie totale : glace a 0 degC + eau a T1 + calorimetre."""
return (mg*Lf + mg*ceau*(Tf-273.15)) + (m1*ceau + Ccal)*(Tf-T1)
print(brentq(bilan, 250.0, 300.0) - 273.15) # -> 6.5 degC
9Démonstrations et résultats à savoir refaire
- Travail élémentaire : force pressante sur le piston, projection sur son déplacement, .
- Travail isotherme quasi statique d’un gaz parfait : équilibre mécanique , équation d’état, intégration.
- Interprétation géométrique du travail et signe sur un cycle selon le sens de parcours.
- Bilan enthalpique monobare : premier principe, , puis .
- Deuxième loi de Joule et relation de Mayer : pour un gaz parfait, dérivation par rapport à .
- Négligeabilité du terme pour une phase condensée, par comparaison numérique.
- Bilan de calorimétrie et expression de la température finale comme moyenne pondérée.
- Définir le système adapté à la question posée et exploiter les conditions imposées par le milieu extérieur pour déterminer l’état d’équilibre final.
- Classer une transformation (isochore, iso/monobare, iso/monotherme, adiabatique, quasi statique, réversible, cyclique) et en tirer les conséquences sur , , , .
- Évaluer le travail des forces de pression par découpage en travaux élémentaires et sommation sur un chemin donné ; l’interpréter géométriquement dans le diagramme de Clapeyron.
- Distinguer qualitativement conduction, convection et rayonnement ; identifier un thermostat dans une situation expérimentale.
- Écrire le premier principe pour un système fermé, entre deux états quelconques ou entre deux états voisins ; distinguer le statut de de celui de et de ; calculer connaissant et .
- Écrire le premier principe sous forme de bilan d’enthalpie pour une transformation monobare avec équilibre mécanique initial et final.
- Exprimer et pour un gaz parfait, justifier pour une phase condensée, citer .
- Exploiter l’extensivité de et de et mener un bilan énergétique comportant une ou plusieurs transitions de phase, en vérifiant qu’elles sont complètes.
- Mener un calcul de calorimétrie : température finale, capacité thermique massique, capacité thermique du calorimètre, enthalpie de fusion.
- Travail : ; isochore ; monobare ; quasi statique mécaniquement réversible ; isotherme quasi statique d’un gaz parfait .
- Premier principe : ; ; adiabatique ; cycle donc .
- Enthalpie : ; monobare avec équilibre mécanique aux extrémités ; isochore .
- Gaz parfait : , ; ; ; ; et (monoatomique), et (diatomique).
- Phase condensée : ; , , ; Dulong et Petit .
- Transitions de phase : ; , ; .
- Calorimétrie : ; ; = moyenne des pondérée par les capacités thermiques.
- Écrire avec la pression du système alors que la transformation n’est ni isobare ni quasi statique : c’est qui intervient dans .
- Confondre monobare et isobare, monotherme et isotherme : « mono » parle de l’extérieur, « iso » du système.
- Confondre adiabatique et isotherme ; croire que entraîne , ou que entraîne .
- Traiter ou comme des fonctions d’état : écrire , , ou « le travail contenu dans le gaz ».
- Se tromper de signe du travail en compression : le système reçoit du travail, donc .
- Utiliser hors transformation monobare (par exemple sur une transformation isochore, où c’est ).
- Tracer dans le diagramme de Clapeyron une transformation brutale (détente dans le vide, masse posée d’un coup) : le chemin n’y existe pas, et l’aire sous une courbe inventée n’a aucun sens.
- Confondre et pour un gaz : l’écart n’est pas petit ( pour un gaz diatomique). Pour une phase condensée, en revanche, les distinguer est inutile.
- Utiliser pour un gaz réel, ou pour un gaz diatomique.
- Oublier la capacité thermique du calorimètre, ou un palier de changement d’état, ou ne pas vérifier que ce changement d’état est complet.
- Mélanger kelvins et degrés Celsius : les écarts de température sont identiques dans les deux échelles, mais toute formule contenant seul (gaz parfait) exige des kelvins.