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MPSI · Physique-chimie · L’énergie : conversions et transferts · Chapitre 17

Système thermodynamique

Fiche de cours16 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1Les trois échelles de description

Définition. L’échelle microscopique est celle de la molécule (≈0,1 nm\approx{0{,}1\,\mathrm{nm}} à 1 nm{1\,\mathrm{nm}}) : les grandeurs y fluctuent violemment et sont inaccessibles à la mesure. L’échelle macroscopique est celle du dispositif expérimental (≈1 cm\approx{1\,\mathrm{cm}} à 1 m{1\,\mathrm{m}}) : on y mesure PP, TT, VV. L’échelle mésoscopique est une échelle intermédiaire (≈1 µm\approx{1\,\mathrm{\text{µ}m}}), grande devant la distance intermoléculaire mais petite devant la taille du système.

Propriété — nécessité de l’échelle mésoscopique. Un volume mésoscopique contient assez de molécules pour que les moyennes statistiques soient définies avec des fluctuations relatives négligeables (≈1/N\approx 1/\sqrt{N}), tout en étant assez petit pour être traité comme un point du milieu : c’est le niveau auquel on définit une masse volumique locale ρ(M,t)\rho(M,t), une pression locale, une température locale. Sans cette échelle, parler de « la température en un point » n’aurait aucun sens.

Exemplepourquoi 1 µm{1\,\mathrm{\text{µ}m}}

Dans l’air à 1 bar{1\,\mathrm{bar}} et 300 K{300\,\mathrm{K}}, n∗=P/(kBT)=2,4×1025 m−3n^*=P/(k_BT)={2{,}4\times10^{25}\,\mathrm{m}^{-3}}. Un cube de 1 µm{1\,\mathrm{\text{µ}m}} de côté contient N=2,4×107N={2{,}4\times10^{7}} molécules : les fluctuations relatives valent 1/N=2×10−41/\sqrt{N}={2\times10^{-4}}, négligeables. Un cube de 10 nm{10\,\mathrm{nm}} de côté n’en contient que 2424 : les fluctuations atteignent 20 %20\,\% et aucune grandeur macroscopique n’y est définie.

Définition. Le libre parcours moyen ℓ\ell est la distance moyenne parcourue par une molécule entre deux chocs successifs. En modélisant les molécules par des sphères dures de diamètre dd, le volume balayé par seconde est πd2u∗\pi d^2 u^* et le nombre de chocs par seconde n∗πd2u∗n^*\pi d^2u^*, d’où

 ℓ=1n∗ πd2=kBTπd2P \boxed{\ \ell=\frac{1}{n^*\,\pi d^2}=\frac{k_BT}{\pi d^2 P}\ }

Idée de la démonstration : ℓ=u∗/νchoc\ell=u^*/\nu_{\text{choc}} avec νchoc=n∗σu∗\nu_{\text{choc}}=n^*\sigma u^* et σ=πd2\sigma=\pi d^2 la section efficace. Un traitement plus fin, tenant compte du mouvement de la cible, ajoute un facteur 1/21/\sqrt{2} — sans incidence sur l’ordre de grandeur.

Notation. Pour une grandeur extensive AA, la minuscule a=A/ma=A/m désigne la grandeur massique et Am=A/nA_\mathrm{m}=A/n la grandeur molaire. Ainsi v=V/mv=V/m (en m3⋅kg−1{\mathrm{m}^{3}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}) et Vm=V/nV_\mathrm{m}=V/n (en m3⋅mol−1{\mathrm{m}^{3}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}). On note n∗=N/Vn^*=N/V la densité particulaire (en m−3{\mathrm{m}^{-3}}), à ne pas confondre avec la quantité de matière nn.

GrandeurGaz (air, 1 bar{1\,\mathrm{bar}}, 20∘C{20{}^{\circ}\mathrm{C}})Phase condensée (eau liquide)
Densité particulaire n∗n^*2,5×1025 m−3{2{,}5\times10^{25}\,\mathrm{m}^{-3}}3,3×1028 m−3{3{,}3\times10^{28}\,\mathrm{m}^{-3}}
Distance intermoléculaire(n∗)−1/3≈3,4 nm(n^*)^{-1/3}\approx{3{,}4\,\mathrm{nm}}≈0,3 nm\approx{0{,}3\,\mathrm{nm}} (contact)
Libre parcours moyen ℓ\ell≈0,1 µm\approx{0{,}1\,\mathrm{\text{µ}m}} (≈250 d\approx 250\,d)≈d\approx d : la notion perd son sens
Volume molaire VmV_\mathrm{m}≈24 L⋅mol−1\approx{24\,\mathrm{L}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}≈18 mL⋅mol−1\approx{18\,\mathrm{mL}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}
Volume massique vv≈0,84 m3⋅kg−1\approx{0{,}84\,\mathrm{m}^{3}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}1,0×10−3 m3⋅kg−1{1{,}0\times10^{-3}\,\mathrm{m}^{3}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}
Vitesse quadratique moyenne u∗u^*≈500 m⋅s−1\approx{500\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}(agitation sans libre parcours)

Remarque. Le rapport des volumes molaires est de l’ordre de 1 300{1\,300} : un gaz est environ mille fois moins dense qu’un liquide. C’est le repère à retenir pour contrôler tout résultat.

2Système thermodynamique, variables d’état, équilibre

Définition. Un système est une portion d’espace délimitée par une surface fermée, réelle ou fictive. Il est dit :

  • ouvert s’il échange de la matière avec l’extérieur ;
  • fermé s’il n’échange pas de matière (il peut échanger énergie et travail) ;
  • isolé s’il n’échange ni matière ni énergie.
AttentionFermé n’est pas isolé

Un gaz enfermé dans un cylindre à piston mobile et plongé dans un thermostat est fermé (sa quantité de matière est fixée) mais nullement isolé : il échange du travail par le piston et un transfert thermique par les parois. « Isolé » est une hypothèse très forte, rarement réalisée.

Définition. Une variable d’état est une grandeur macroscopique qui caractérise l’état d’équilibre du système. Elle est extensive si elle est proportionnelle à la quantité de matière du système (additive par réunion de deux sous-systèmes) : mm, nn, VV, UU, NN. Elle est intensive si elle est définie localement et ne dépend pas de la taille du système : PP, TT, ρ\rho, vv, VmV_\mathrm{m}, les fractions molaires.

Méthode — reconnaître la nature d’une variable. Couper mentalement le système en deux moitiés identiques : une grandeur extensive est divisée par deux, une grandeur intensive est inchangée. Le quotient de deux grandeurs extensives est intensif : ρ=m/V\rho=m/V, v=V/mv=V/m, Vm=V/nV_\mathrm{m}=V/n sont intensives.

Définition. Un système est en équilibre thermodynamique lorsque toutes ses variables d’état sont définies, uniformes et indépendantes du temps, et qu’il n’existe aucun transfert macroscopique en son sein ni avec l’extérieur. Cet équilibre se décline en :

  • équilibre mécanique : la résultante des forces est nulle sur toute paroi mobile, ce qui impose l’égalité des pressions de part et d’autre (à la pesanteur du fluide près) ;
  • équilibre thermique : TT est uniforme, donc égale à celle du milieu extérieur s’il y a contact thermique.

Méthode — déterminer PP et TT à l’équilibre. Pour PP : isoler la paroi mobile (piston), écrire que la somme des forces qu’elle subit est nulle, et en déduire la pression du gaz, par exemple P=P0+MgSP=P_0+\dfrac{Mg}{S} pour un piston de masse MM et de section SS surmonté de l’atmosphère. Pour TT : écrire que la température du système est celle du thermostat avec lequel il est en contact.

Attentionéquilibre ≠\neq état stationnaire

Une barre dont les deux extrémités sont maintenues à 20∘C{20{}^{\circ}\mathrm{C}} et 80∘C{80{}^{\circ}\mathrm{C}} atteint un régime stationnaire : rien ne dépend du temps, mais TT n’est pas uniforme et un flux thermique la traverse en permanence. Ce n’est pas un état d’équilibre thermodynamique.

3Du microscopique au macroscopique : pression et température cinétiques

Notation. On suppose la distribution des vitesses moléculaires homogène (indépendante du point) et isotrope (aucune direction privilégiée), de sorte que ⟨v→ ⟩=0→\langle \vect{v}\,\rangle=\vect{0} et ⟨vx2⟩=⟨vy2⟩=⟨vz2⟩=13⟨v2⟩\langle v_x^2\rangle=\langle v_y^2\rangle=\langle v_z^2\rangle=\frac13\langle v^2\rangle.

Définition. La vitesse quadratique moyenne u∗u^* est définie par u∗2=⟨v2⟩u^{*2}=\langle v^2\rangle, c’est-à-dire u∗=⟨v2⟩u^*=\sqrt{\langle v^2\rangle}. Elle n’est pas la moyenne des vitesses : u∗⩾⟨v⟩u^*\geq\langle v\rangle, et c’est u∗u^* qui est liée à l’énergie cinétique moyenne, car ⟨12mv2⟩=12mu∗2\langle \frac12 mv^2\rangle=\frac12 m u^{*2}.

Propriété — pression cinétique. La pression est due aux chocs des molécules sur la paroi. Un bilan de quantité de mouvement sur les molécules qui atteignent une surface  ⁣dS\dd S pendant  ⁣dt\dd t donne, pour un gaz de molécules de masse mm et de densité n∗n^* :

 P=13 n∗ m u∗2 \boxed{\ P=\frac13\,n^*\,m\,u^{*2}\ }

Idée de la démonstration (admise en MPSI) : seules les molécules situées dans un cylindre de base  ⁣dS\dd S et de hauteur vx ⁣dtv_x\dd t atteignent la paroi ; chacune lui transfère 2mvx2mv_x ; la moyenne sur la moitié des molécules qui vont vers la paroi et l’isotropie font apparaître le facteur 13\frac13.

Définition. La température cinétique TT est définie par

 12 m u∗2=32 kB T soitu∗=3kBTm=3RTM,\boxed{\ \frac12\,m\,u^{*2}=\frac32\,k_B\,T\ }\qquad\text{soit}\qquad u^*=\sqrt{\frac{3k_BT}{m}}=\sqrt{\frac{3RT}{M}},

avec R=NAkBR=N_Ak_B et M=NAmM=N_Am. La température mesure l’agitation thermique, c’est-à-dire l’énergie cinétique moyenne d’agitation désordonnée d’une molécule.

Attentionla température est une moyenne

TT n’a aucun sens pour une molécule isolée : c’est une grandeur statistique, définie sur un grand nombre de particules. De même, une molécule rapide n’est pas « chaude ». Et l’énergie cinétique d’ensemble (vent, écoulement) n’entre pas dans TT : seule compte l’agitation dans le référentiel du centre de masse du volume mésoscopique.

Théorème — équation d’état du gaz parfait. En reportant la température cinétique dans la pression cinétique :

P=13n∗mu∗2=13 n∗ m×3kBTm=n∗kBT=NV kBT,P=\frac13 n^* m u^{*2}=\frac13\,n^*\,m\times\frac{3k_BT}{m}=n^*k_BT=\frac{N}{V}\,k_BT,

soit, puisque N=nNAN=nN_A et R=NAkBR=N_Ak_B :

 PV=N kB T=n R T R=8,314 J⋅K−1⋅mol−1.\boxed{\ PV=N\,k_B\,T=n\,R\,T\ }\qquad R={8{,}314\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}.
Exempleordres de grandeur à savoir refaire

Air à 300 K{300\,\mathrm{K}} (M=29 g⋅mol−1M={29\,\mathrm{g}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}) : u∗=3×8,314×300/0,029=508 m⋅s−1u^*=\sqrt{3\times 8{,}314\times 300/0{,}029}={508\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}, du même ordre que la vitesse du son (340 m⋅s−1{340\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}) — ce n’est pas un hasard ; pour HX2\ce{H2} à la même température, u∗=1,93 km⋅s−1u^*={1{,}93\,\mathrm{km}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}} car u∗∝M−1/2u^*\propto M^{-1/2}. Volume molaire : Vm=RT/P=8,314×293/105=24,4×10−3 m3⋅mol−1V_\mathrm{m}=RT/P=8{,}314\times 293/10^5={24{,}4\times10^{-3}\,\mathrm{m}^{3}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}, soit 24 L⋅mol−1{24\,\mathrm{L}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}} à 20∘C{20{}^{\circ}\mathrm{C}} sous 1 bar{1\,\mathrm{bar}} (et 22,4 L⋅mol−1{22{,}4\,\mathrm{L}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}} à 0∘C{0{}^{\circ}\mathrm{C}}). Libre parcours moyen avec d=0,37 nmd={0{,}37\,\mathrm{nm}} : ℓ=kBT/(πd2P)=9,6×10−8 m≈0,1 µm\ell=k_BT/(\pi d^2P)={9{,}6\times10^{-8}\,\mathrm{m}}\approx{0{,}1\,\mathrm{\text{µ}m}}, soit ≈30\approx 30 fois la distance intermoléculaire ; fréquence des chocs u∗/ℓ≈5×109 s−1u^*/\ell\approx{5\times10^{9}\,\mathrm{s}^{-1}}.

4Gaz réel et modèle du gaz parfait

Définition. Le modèle du gaz parfait néglige toute interaction entre molécules autre que les chocs, et leur volume propre. Il n’est donc valable qu’à faible densité : P→0P\to 0 à TT fixée, ou plus précisément ℓ≫d\ell\gg d et Vm≫V_\mathrm{m}\gg volume propre des molécules.

Propriété — écarts au modèle. On met les écarts en évidence sur des réseaux d’isothermes expérimentaux, dans deux systèmes de coordonnées :

  • coordonnées de Clapeyron (v,P)(v,P) ou (Vm,P)(V_\mathrm{m},P) : les isothermes d’un gaz parfait sont des hyperboles PVm=ctePV_\mathrm{m}=\text{cte} ; celles d’un gaz réel s’en écartent et, sous la température critique, présentent un palier de changement d’état que le modèle ne peut pas décrire ;
  • coordonnées d’Amagat (P,PVm)(P,PV_\mathrm{m}) : les isothermes d’un gaz parfait sont des droites horizontales d’ordonnée RTRT. Le moindre écart à l’horizontale est donc un écart au modèle, ce qui rend ces coordonnées beaucoup plus discriminantes. Toutes les isothermes réelles convergent vers RTRT quand P→0P\to 0 : tout gaz réel tend vers le gaz parfait à pression nulle.

Figure 1 — Réseau d’isothermes d’un gaz réel en coordonnées d’Amagat. L’ordonnée à l’origine vaut RTRT pour toutes les isothermes : le gaz parfait est la limite basse pression. L’isotherme de Boyle-Mariotte TBT_B est celle dont la tangente à l’origine est horizontale ; le gaz y suit la loi PVm=ctePV_\mathrm{m}=\text{cte} sur un large domaine de pression.

5Énergie interne

Définition. L’énergie interne UU d’un système est la somme, dans le référentiel barycentrique du système, des énergies cinétiques d’agitation de toutes ses particules et de toutes les énergies potentielles d’interaction entre elles. C’est une fonction d’état extensive, définie à une constante près.

Théorème — gaz parfait monoatomique. Les molécules d’un gaz parfait monoatomique n’ont ni énergie interne de rotation ou de vibration, ni énergie d’interaction : UU se réduit à la somme des énergies cinétiques d’agitation. Avec NN atomes d’énergie cinétique moyenne 32kBT\frac32 k_BT :

 U=N×32 kB T=32 n R T doncCV= ⁣dU ⁣dT=32 n R,CVm=32R=12,5 J⋅K−1⋅mol−1.\boxed{\ U=N\times\frac32\,k_B\,T=\frac32\,n\,R\,T\ }\qquad\text{donc}\qquad C_V=\frac{\dd U}{\dd T}=\frac32\,n\,R,\quad C_{V\mathrm{m}}=\frac32 R={12{,}5\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}.

Théorème — première loi de Joule. Pour tout gaz parfait, UmU_\mathrm{m} ne dépend que de TT : Um=Um(T)U_\mathrm{m}=U_\mathrm{m}(T). On définit alors la capacité thermique à volume constant

CV=(∂U∂T)V= ⁣dU ⁣dT,ΔU=∫T1T2 ⁣CV  ⁣dT=CV (T2−T1)  si CV est constante.C_V=\left(\frac{\partial U}{\partial T}\right)_V=\frac{\dd U}{\dd T},\qquad \Delta U=\int_{T_1}^{T_2}\! C_V\,\dd T=C_V\,(T_2-T_1)\ \text{ si } C_V \text{ est constante.}

Pour un gaz parfait diatomique aux températures usuelles, CVm=52R=20,8 J⋅K−1⋅mol−1C_{V\mathrm{m}}=\frac52 R={20{,}8\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}} (deux degrés de liberté de rotation s’ajoutent) : « gaz parfait » ne signifie pas « monoatomique ».

Théorème — phase condensée incompressible et indilatable. Dans ce modèle, le volume massique vv est une constante : V=m v=cteV=m\,v=\text{cte}, indépendante de PP et de TT. L’équation d’état se réduit à v=ctev=\text{cte}, et l’énergie interne ne dépend plus que de la température :

 Um=Um(T), ⁣dU=C  ⁣dT=m c  ⁣dT \boxed{\ U_\mathrm{m}=U_\mathrm{m}(T),\qquad \dd U=C\,\dd T=m\,c\,\dd T\ }

où cc est la capacité thermique massique (en J⋅K−1⋅kg−1{\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}). Comme VV est constant, il n’y a pas lieu de distinguer CVC_V et CPC_P : on note simplement C=mcC=mc. Repère : ceau=4,18×103 J⋅K−1⋅kg−1c_{\text{eau}}={4{,}18\times10^{3}\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}, cmeˊtal≈0,4×103 J⋅K−1⋅kg−1c_{\text{métal}}\approx{0{,}4\times10^{3}\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}.

Remarque. Le modèle est une approximation : les phases condensées sont « peu compressibles et peu dilatables ». Quantitativement, avec χT=−1V(∂V∂P)T\chi_T=-\dfrac1V\left(\dfrac{\partial V}{\partial P}\right)_T et α=1V(∂V∂T)P\alpha=\dfrac1V\left(\dfrac{\partial V}{\partial T}\right)_P (définitions toujours fournies en énoncé) : eau liquide χT≈5×10−10 Pa−1\chi_T\approx{5\times10^{-10}\,\mathrm{Pa}^{-1}} et α≈2×10−4 K−1\alpha\approx{2\times10^{-4}\,\mathrm{K}^{-1}}, contre χT=1/P=1×10−5 Pa−1\chi_T=1/P={1\times10^{-5}\,\mathrm{Pa}^{-1}} et α=1/T=3,4×10−3 K−1\alpha=1/T={3{,}4\times10^{-3}\,\mathrm{K}^{-1}} pour un gaz parfait : quatre à cinq ordres de grandeur d’écart. Porter l’eau de 1 bar{1\,\mathrm{bar}} à 100 bar{100\,\mathrm{bar}} ne diminue son volume que de 0,5 %0{,}5\,\%.

6Corps pur sous plusieurs phases : le diagramme (P,T)(P,T)

Définition. Les six changements d’état d’un corps pur sont : fusion (solide →\to liquide) et solidification ; vaporisation (liquide →\to gaz) et liquéfaction (ou condensation) ; sublimation (solide →\to gaz) et condensation en solide (ou déposition).

Propriété — diagramme (P,T)(P,T). Dans le plan (T,P)(T,P), les états d’équilibre d’un corps pur se répartissent en trois domaines (solide, liquide, gaz) séparés par trois courbes d’équilibre où les deux phases coexistent. Les trois courbes se rejoignent au point triple Tr\mathrm{Tr}, unique point où les trois phases coexistent. La courbe de vaporisation s’arrête au point critique C\mathrm{C} : au-delà, l’état est dit supercritique et il n’y a plus de distinction entre liquide et gaz.

Figure 2 — Diagramme (P,T)(P,T) d’un corps pur, dans le cas de l’eau : la courbe de fusion a une pente négative (la glace est moins dense que l’eau liquide), ce qui est une anomalie — pour la quasi-totalité des corps purs cette pente est positive. Pour l’eau : Tr\mathrm{Tr} à (0,01∘C, 611 Pa)({0{,}01{}^{\circ}\mathrm{C}},\ {611\,\mathrm{Pa}}) et C\mathrm{C} à (374∘C, 221 bar)({374{}^{\circ}\mathrm{C}},\ {221\,\mathrm{bar}}).

Méthode — lire un diagramme (P,T)(P,T). (i) repérer les trois courbes et les deux points remarquables ; (ii) identifier les domaines : le solide est du côté des basses températures, le gaz du côté des basses pressions, le liquide entre les deux ; (iii) pour un point donné, lire la phase ; (iv) une transformation est un chemin dans le plan : elle change de phase chaque fois qu’elle traverse une courbe, et la température (ou la pression) reste alors constante pendant toute la durée de la transition.

Propriété — équilibre liquide-vapeur. Sur la courbe de vaporisation, PP et TT ne sont pas indépendantes : P=Psat(T)P=P_{\text{sat}}(T), pression de vapeur saturante, fonction croissante de TT seule. Conséquences : sous une pression fixée, la vaporisation d’un corps pur se fait à température constante (palier de changement d’état) ; (P,T)(P,T) ne suffit plus à décrire un système diphasé, il faut une variable supplémentaire de composition — on choisit par exemple (T,xv)(T,x_v) ou (P,v)(P,v). L’eau bout à 100∘C{100{}^{\circ}\mathrm{C}} sous 1,013 bar{1{,}013\,\mathrm{bar}}, mais à 72∘C{72{}^{\circ}\mathrm{C}} seulement sous 0,34 bar{0{,}34\,\mathrm{bar}} (sommet de l’Everest), et à 20∘C{20{}^{\circ}\mathrm{C}} sous 23 mbar{23\,\mathrm{mbar}}.

7Le diagramme de Clapeyron (P,v)(P,v) et le théorème des moments

Définition. Dans le diagramme de Clapeyron, on porte PP en ordonnée et le volume massique vv en abscisse. La courbe de saturation est le lieu des états où apparaît (ou disparaît) la seconde phase ; elle se compose de la courbe d’ébullition (liquide saturant, v=vℓv=v_\ell) et de la courbe de rosée (vapeur saturante, v=vvv=v_v), qui se rejoignent au point critique C\mathrm{C}. Sous la courbe s’étend le domaine diphasé.

Définition. Pour un système diphasé de masse totale m=mℓ+mvm=m_\ell+m_v, le titre massique en vapeur est

xv=mvmℓ+mv∈[0 ;1],xℓ=1−xv=mℓm.x_v=\frac{m_v}{m_\ell+m_v}\in\intff{0}{1},\qquad x_\ell=1-x_v=\frac{m_\ell}{m}.

xv=0x_v=0 sur la courbe d’ébullition, xv=1x_v=1 sur la courbe de rosée.

Théorème — théorème des moments. Soit un état diphasé M\mathrm{M} de volume massique vv, à la température TT (donc à la pression Psat(T)P_{\text{sat}}(T)). Le volume étant extensif, V=mℓvℓ+mvvvV=m_\ell v_\ell+m_v v_v, et en divisant par mm :

v=(1−xv) vℓ+xv vv⟹ xv=v−vℓvv−vℓ=AM‾AB‾ v=(1-x_v)\,v_\ell+x_v\,v_v\qquad\Longrightarrow\qquad\boxed{\ x_v=\frac{v-v_\ell}{v_v-v_\ell}=\frac{\overline{\mathrm{AM}}}{\overline{\mathrm{AB}}}\ }

où A\mathrm{A} et B\mathrm{B} sont les extrémités du palier, sur la courbe d’ébullition et sur la courbe de rosée. De même xℓ=vv−vvv−vℓ=MB‾AB‾x_\ell=\dfrac{v_v-v}{v_v-v_\ell}=\dfrac{\overline{\mathrm{MB}}}{\overline{\mathrm{AB}}}.

Attentionle sens de lecture

Le titre d’une phase se lit sur le segment opposé à cette phase. Le titre en vapeur se mesure à partir du côté liquide (A\mathrm{A}) : plus M\mathrm{M} est proche de B\mathrm{B} (côté vapeur), plus xvx_v est proche de 11. L’inverser est l’erreur la plus fréquente du chapitre — on la détecte en vérifiant un cas limite : si M=A\mathrm{M}=\mathrm{A}, il n’y a que du liquide, donc xv=0x_v=0.

Figure 3 — Réseau d’isothermes en coordonnées de Clapeyron (échelles non linéaires). Dans la phase liquide l’isotherme est quasi verticale (incompressibilité) ; dans le domaine diphasé elle est horizontale à P=Psat(T)P=P_{\text{sat}}(T) ; dans la vapeur elle se rapproche d’une hyperbole. Le palier se raccourcit quand TT croît et se réduit à un point au point critique C\mathrm{C}, où l’isotherme présente un point d’inflexion à tangente horizontale.

Méthode — exploiter un diagramme de Clapeyron. (i) placer le point représentatif à partir de deux variables (PP et vv, ou TT et xvx_v) ; (ii) sous la courbe de saturation, lire vℓv_\ell et vvv_v aux extrémités du palier et appliquer le théorème des moments ; (iii) en déduire mv=xv mm_v=x_v\,m, mℓ=(1−xv) mm_\ell=(1-x_v)\,m, Vv=mvvvV_v=m_v v_v, Vℓ=mℓvℓV_\ell=m_\ell v_\ell ; (iv) contrôler : Vℓ+Vv=mvV_\ell+V_v=mv.

Exempleun calcul type

Une masse m=1,0 kgm={1{,}0\,\mathrm{kg}} d’eau occupe V=0,50 m3V={0{,}50\,\mathrm{m}^{3}} à 100∘C{100{}^{\circ}\mathrm{C}}. Alors v=0,50 m3⋅kg−1v={0{,}50\,\mathrm{m}^{3}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}. Les tables donnent à 100∘C{100{}^{\circ}\mathrm{C}} : vℓ=1,044×10−3 m3⋅kg−1v_\ell={1{,}044\times10^{-3}\,\mathrm{m}^{3}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}} et vv=1,673 m3⋅kg−1v_v={1{,}673\,\mathrm{m}^{3}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}. Comme vℓ<v<vvv_\ell<v<v_v, le système est diphasé et P=Psat=1,013 barP=P_{\text{sat}}={1{,}013\,\mathrm{bar}}. Le théorème des moments donne

xv=0,50−0,0010441,673−0,001044=0,298,x_v=\frac{0{,}50-0{,}001044}{1{,}673-0{,}001044}=0{,}298,

soit mv=0,30 kgm_v={0{,}30\,\mathrm{kg}} de vapeur et mℓ=0,70 kgm_\ell={0{,}70\,\mathrm{kg}} de liquide. Les 0,70 kg{0{,}70\,\mathrm{kg}} de liquide n’occupent que 0,73 L{0{,}73\,\mathrm{L}} : la vapeur occupe presque tout le volume alors qu’elle ne représente que 30 %30\,\% de la masse.

8Complément numérique (Python)

Remarque. Le programme ne prévoit aucune capacité numérique exigible dans cette partie ; le programme ci-dessous est un complément, utile pour vérifier un calcul ou tracer un réseau d’isothermes.

import numpy as np
R, M = 8.314, 18.0e-3                   # eau

def titre(v, vl, vv):                   # theoreme des moments
    return (v - vl) / (vv - vl)

print(titre(0.50, 1.044e-3, 1.673))     # -> 0.2984

v = np.linspace(0.05, 2.0, 400)         # m^3/kg : isothermes du gaz parfait
for T in (373.15, 473.15, 573.15):
    P = R * T / (M * v)                 # P = r T / v  avec r = R/M

9Démonstrations et résultats à savoir refaire

  • Libre parcours moyen ℓ=1/(n∗πd2)\ell=1/(n^*\pi d^2) : compter les chocs subis par une molécule parcourant un cylindre de section πd2\pi d^2, puis ℓ=u∗/νchoc\ell=u^*/\nu_{\text{choc}} ; application numérique dans l’air à 1 bar{1\,\mathrm{bar}}.
  • Équation d’état du gaz parfait à partir des grandeurs cinétiques : partir de P=13n∗mu∗2P=\frac13 n^*mu^{*2} et de 12mu∗2=32kBT\frac12 mu^{*2}=\frac32 k_BT, éliminer u∗u^*, puis utiliser N=nNAN=nN_A et R=NAkBR=N_Ak_B ; en déduire u∗=3RT/Mu^*=\sqrt{3RT/M} et son application numérique (air, 300 K{300\,\mathrm{K}}).
  • Énergie interne du gaz parfait monoatomique U=32nRTU=\frac32 nRT : sommer les énergies cinétiques d’agitation et utiliser l’interprétation microscopique de la température.
  • Pression imposée par un piston : bilan des forces sur le piston à l’équilibre.
  • Théorème des moments : extensivité du volume, V=mℓvℓ+mvvvV=m_\ell v_\ell+m_v v_v, division par mm.
  • Positionnement des phases dans les diagrammes (P,T)(P,T) et (P,v)(P,v), et allure des isothermes en coordonnées d’Amagat.
Savoir-faire
  • Définir l’échelle mésoscopique, justifier sa nécessité, citer un ordre de grandeur de libre parcours moyen ; préciser, sur un exemple, les paramètres d’un état microscopique et d’un état macroscopique.
  • Calculer u∗u^*, VmV_\mathrm{m}, ℓ\ell, n∗n^* dans un gaz, et contrôler les ordres de grandeur.
  • Identifier un système ouvert, fermé ou isolé ; classer les variables d’état en intensives et extensives.
  • Calculer une pression par une condition d’équilibre mécanique, une température par une condition d’équilibre thermique.
  • Utiliser PV=nRTPV=nRT (unités SI !) et exploiter Um=Um(T)U_\mathrm{m}=U_\mathrm{m}(T) pour le gaz parfait et pour la phase condensée incompressible et indilatable.
  • Interpréter graphiquement la différence de compressibilité entre liquide et gaz ; comparer un gaz réel au gaz parfait en coordonnées de Clapeyron ou d’Amagat.
  • Analyser un diagramme (P,T)(P,T) expérimental ; positionner les phases dans (P,T)(P,T) et dans (P,v)(P,v) ; déterminer la composition d’un mélange diphasé par le théorème des moments.
FormulaireLes relations à connaître par cœur
  • Échelles : n∗=NV=PkBTn^*=\dfrac{N}{V}=\dfrac{P}{k_BT} ; ℓ=1n∗πd2=kBTπd2P\ell=\dfrac{1}{n^*\pi d^2}=\dfrac{k_BT}{\pi d^2P} ; distance intermoléculaire (n∗)−1/3(n^*)^{-1/3}.
  • Cinétique : P=13n∗mu∗2P=\dfrac13 n^*mu^{*2} ; 12mu∗2=32kBT\dfrac12 mu^{*2}=\dfrac32 k_BT ; u∗=3RTMu^*=\sqrt{\dfrac{3RT}{M}}.
  • Gaz parfait : PV=nRT=NkBTPV=nRT=Nk_BT ; Pv=RM TP v=\dfrac{R}{M}\,T ; U=32nRTU=\dfrac32 nRT (monoatomique), Um=Um(T)U_\mathrm{m}=U_\mathrm{m}(T) (tout gaz parfait).
  • Phase condensée idéale : v=ctev=\text{cte} ;  ⁣dU=mc  ⁣dT\dd U=mc\,\dd T ; ceau=4,18 kJ⋅K−1⋅kg−1c_{\text{eau}}={4{,}18\,\mathrm{kJ}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}.
  • Diphasé : xv=mvmx_v=\dfrac{m_v}{m} ; v=(1−xv)vℓ+xvvvv=(1-x_v)v_\ell+x_vv_v ; xv=v−vℓvv−vℓx_v=\dfrac{v-v_\ell}{v_v-v_\ell} ; P=Psat(T)P=P_{\text{sat}}(T).
  • Constantes : R=8,314 J⋅K−1⋅mol−1R={8{,}314\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}} ; kB=1,38×10−23 J⋅K−1k_B={1{,}38\times10^{-23}\,\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{K}^{-1}} ; NA=6,02×1023 mol−1N_A={6{,}02\times10^{23}\,\mathrm{mol}^{-1}} ; T(K)=θ(∘C)+273,15T({\mathrm{K}})=\theta({{}^{\circ}\mathrm{C}})+273{,}15.
  • Repères : Vm=24 L⋅mol−1V_\mathrm{m}={24\,\mathrm{L}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}} (20∘C{20{}^{\circ}\mathrm{C}}, 1 bar{1\,\mathrm{bar}}) ; u∗≈500 m⋅s−1u^*\approx{500\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}} (air, 300 K{300\,\mathrm{K}}) ; ℓ≈0,1 µm\ell\approx{0{,}1\,\mathrm{\text{µ}m}} ; eau : Tr=(0,01∘C,611 Pa)\mathrm{Tr}=({0{,}01{}^{\circ}\mathrm{C}},{611\,\mathrm{Pa}}), C=(374∘C,221 bar)\mathrm{C}=({374{}^{\circ}\mathrm{C}},{221\,\mathrm{bar}}).
Pièges
  • Utiliser des degrés Celsius, des litres ou des bars dans PV=nRTPV=nRT : toujours convertir en kelvins, mètres cubes et pascals.
  • Confondre nn (quantité de matière, en mol{\mathrm{mol}}) et n∗n^* (densité particulaire, en m−3{\mathrm{m}^{-3}}), ou vv (volume massique) et VmV_\mathrm{m} (volume molaire).
  • Croire que « gaz parfait » signifie « monoatomique » et écrire U=32nRTU=\frac32 nRT pour du dioxygène (c’est 52nRT\frac52 nRT).
  • Appliquer la loi du gaz parfait à une vapeur saturante pour en déduire la pression, ou traiter PP et TT comme indépendantes pour un corps pur diphasé : elles sont liées par P=Psat(T)P=P_{\text{sat}}(T).
  • Confondre le diagramme (P,T)(P,T) (où le domaine diphasé est une courbe) et le diagramme de Clapeyron (P,v)(P,v) (où c’est une surface sous la courbe de saturation).
  • Lire le titre en vapeur à l’envers : xvx_v se mesure depuis la courbe d’ébullition. Contrôler sur un cas limite.
  • Croire que la température monte pendant l’ébullition : un palier se parcourt à TT et PP constantes.
  • Confondre équilibre thermodynamique et régime stationnaire ; oublier qu’un système fermé n’est pas isolé.
  • Parler de la température d’une seule molécule, ou compter l’énergie cinétique d’ensemble (vent) dans TT.
  • Oublier que les isothermes d’Amagat d’un gaz parfait sont horizontales (et non des hyperboles).

Exercices, contrôles et sujets

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1

Exercices de base

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Les bases : échelles, variables d’état, gaz parfait, phases condensées, corps pur diphasé

12 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 h 30calculatrice autorisée

  1. Ordres de grandeur dans un gazDifficulté 1 sur 3
  2. Pourquoi l’échelle mésoscopique ?Difficulté 1 sur 3
  3. Systèmes, variables d’étatDifficulté 1 sur 3
  4. Applications directes de l’équation d’étatDifficulté 1 sur 3
  5. Équilibre mécanique : le pistonDifficulté 2 sur 3
  6. Deux récipients que l’on met en communicationDifficulté 2 sur 3
  7. Vitesse quadratique moyenne et température cinétiqueDifficulté 2 sur 3
  8. Énergie interne d’un gaz parfaitDifficulté 2 sur 3
  9. Une phase condensée est-elle vraiment incompressible ?Difficulté 2 sur 3
  10. Lecture d’un diagramme (P,T)(P,T) : le dioxyde de carboneDifficulté 1 sur 3
  11. Titre en vapeur et théorème des momentsDifficulté 2 sur 3
  12. Complément numériqueDifficulté 1 sur 3
2

Exercices d'application

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Mise en œuvre : baromètre, thermométrie, gaz réels, mélanges, corps pur diphasé

9 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3 à Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 3 hcalculatrice autorisée

  1. Un baromètre qui mentDifficulté 2 sur 3
  2. Le thermomètre à gaz et le zéro absoluDifficulté 2 sur 3
  3. Un gaz réel en coordonnées d’AmagatDifficulté 3 sur 3
  4. Air sec, air humideDifficulté 2 sur 3
  5. Établir la pression cinétiqueDifficulté 3 sur 3
  6. Compression isotherme de l’eauDifficulté 3 sur 3
  7. Chauffage isochore : trois destinsDifficulté 3 sur 3
  8. Le dernier souffle de César (problème ouvert)Difficulté 3 sur 3
  9. Stocker de l’énergie : air ou eau ?Difficulté 2 sur 3
3

Interrogation A

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Échelles, gaz parfait, équilibre mécanique, corps pur diphasé

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Un gaz parfait sous un piston7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. De l’eau dans un récipient fermé7 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Interrogation B

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Libre parcours moyen, piston séparateur, autoclave et corps pur diphasé

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Un piston séparateur7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Un autoclave de stérilisation7 ptsDifficulté 3 sur 3
5

Approfondissement

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Sept problèmes pour aller au bout de la description d’un système

7 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 4 hcalculatrice autorisée

  1. L’équation de van der Waals (hors programme)Difficulté 3 sur 3
  2. Les trois vitesses d’un gaz (hors programme)Difficulté 3 sur 3
  3. Ce que cache la courbe de vaporisationDifficulté 3 sur 3
  4. Air humide, point de rosée et condensationDifficulté 3 sur 3
  5. Un ressort de gazDifficulté 3 sur 3
  6. L’eau bout-elle à 100∘C{100{}^{\circ}\mathrm{C}} au sommet du Mont Blanc ?Difficulté 3 sur 3
  7. Le diagramme de Clapeyron de l’eau en échelles logarithmiquesDifficulté 3 sur 3
6

DS type concours

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Le dioxyde de carbone, du gaz au fluide supercritique

Durée : 3 h 30calculatrice autorisée3 parties24 questionsbarème indicatif sur 20

7

Planche de colle

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Une question de cours et quatre exercices d’oral

1 question de cours4 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 3 sur 3environ 20 min{20\,\mathrm{min}} par exercice

  1. Question de coursDifficulté 1 sur 3
  2. L’air de cette salleDifficulté 1 sur 3
  3. Le piston qui se déplaceDifficulté 2 sur 3
  4. Moitié liquide, moitié vapeurDifficulté 2 sur 3
  5. Une bouteille de dioxyde de carboneDifficulté 3 sur 3

Prépa · Physique-chimie : les 26 chapitres

  1. Mesures et incertitudes
  2. Optique géométrique
  3. Circuits dans l’ARQS
  4. Circuits du premier ordre
  5. Oscillateurs libres et forcés
  6. Filtrage linéaire
  7. Propagation et interférences
  8. Cinématique du point
  9. Lois de Newton
  10. Énergétique du point
  11. Particules chargées
  12. Transformations de la matière
  13. Cinétique chimique
  14. Structure des entités chimiques
  15. Moment cinétique et forces centrales
  16. Mouvement d’un solide
  17. Système thermodynamique
  18. Premier principe
  19. Deuxième principe
  20. Machines thermiques
  21. Champ magnétique et forces de Laplace
  22. Induction
  23. Physique quantique
  24. Solides cristallins
  25. Acide-base et précipitation
  26. Oxydo-réduction et diagrammes E-pH