Notes sur le premier principe de la thermodynamique - 2° partie, Notes de Chimie Appliquée
Kilian_Te
Kilian_Te20 mars 2014

Notes sur le premier principe de la thermodynamique - 2° partie, Notes de Chimie Appliquée

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Notes de sciences physiques sur le premier principe de la thermodynamique - 2° partie. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: la différentielletotale, les coefficients thermiques, la fonction d’état, L’énergie...
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Remarque : cas où la transformation n’est pas quasistatique.  • • On comprime brutalement le fluide : sa pression passe très rapidement 

de PA à PB , le volume varie de VA jusqu’à VB. Il s’agit d’une transformation  irréversible, la pression du fluide n’est pas égale à la pression extérieure  de sorte que le travail total s’écrit :

• Où

• On peut remarquer facilement sur le graphe ci‐dessus que : • W= Aire du rectangle de largeur PB et de longueur (VB‐VA).  • On remarque aussi que cette aire est supérieure à celle calculée pour la 

transformation quasistatique. • • On en déduit que  : • Wquasistatique Wnon quasistatique Et de façon générale,  Wréversible Wirréversible

 ext B AW P V V   ( )ext B B B AP P P gaz W P V V    

Transformation quasistatique cyclique • • Soit un fluide qui subit un cycle (A  A1 B A2 A) de transformations quasistatiques qui le ramènent à son 

état initial. Le travail échangé au cours du cycle peut s’exprimer par la relation :

,  Wcycle=W1 + W2 où : • est suivant le chemin (AA1B)

est suivant le chemin (BA2A). • • • • On peut facilement remarquer que :

• Suivant le chemin (AA1B), dV  0 W1• Suivant (BA2A), dV  0 W2 0. • • Le travail total au cours du cycle ,  Wcycle=W1 + W2 • • où W = l’aire intérieur du cycle (délimitée par AA1BA2A).

P

V

VBVA

A1

A B

A2

  B

A

A

B cycle PdVPdVW

 B

A PdVW

1

 A

B PdVW 2

Notons que si on avait choisi de parcourir ce cycle  dans le sens (AA2BA1A), on aurait trouvé que : 

• • Il en résulte que : • Si Wcycle  Le cycle est décrit dans le sens des  aiguilles d’une montre Il s’agit d’un cycle  moteur : Le système fournit du travail au milieu  extérieur.

• Si Wcycle  0  Le sens de parcours du cycle est le  sens trigonométrique Le cycle est récepteur :  Le système reçoit du travail du milieu extérieur.

0cycleW

Chaleur • Primitivement et jusqu’au 19ème siècle, on considérait que la chaleur était une 

grandeur intrinsèque de la matière. On la représentait par une notion de  “calorique” qui serait un fluide invisible et non visqueux qui passe par contact  d’un corps chaud à un corps froid. On expliquait ainsi l’élévation de la  température d’un corps par l’augmentation de son calorique. Cette grandeur  disposait de sa propre unité la calorie, encore utilisée de nos jours, elle est  définie comme étant la quantité de chaleur nécessaire pour élever la  température de 1g d’eau de 14.5 °C à 15.5°C. 

• Vers la fin du 18ème siècle, le physicien  Black a fait la distinction entre chaleur et  température et a montré qu’un corps pur peut recevoir de la chaleur sans que  sa température change (exemple de la fusion de la glace). Il l’a appelée “chaleur  latente de changement d’état”. 

• A partir de 1840,  Joule et Mayer ont montré que la chaleur, comme le travail,  est une forme d’énergie qu’on appelle souvent : énergie  thermique.

• • Ainsi, on constate qu’un apport de chaleur peut : • élever la température du corps, dans ce cas la chaleur est dite sensible. • Permettre le changement d’état (ou de phase) d’un corps pur à température 

constante. Exemple ; fusion de la glace à t=0°C. On parle de chaleur latente.

Chaleur sensible • La chaleur sensible est liée à la variation de température du système par suite d’un 

réchauffement ou d’un refroidissement. Elle est proportionnelle à la masse de matière  et à la différence de température.

• D’où pour une transformation infinitésimale, elle s’écrit :

• où C désigne la capacité thermique (calorifique) massique du corps considéré. Son unité  c’est le : [J/Kg.K]

• Lorsque le système subit une transformation finie entre l’état (1) et l’état (2), la quantité  de chaleur échangée se calcule en intégrant la relation précédente, d’où :

• On a considéré que la capacité thermique est constante mais en général elle dépend de  la température. Mais entre deux températures, on peut faire intervenir une capacité  thermique moyenne !

• On verra ultérieurement que la quantité de chaleur échangée au cours d’une  transformation dépend en plus de la température, de la pression  ou du volume. C’est  pourquoi, l’expression ci‐dessus de Q sera utilisée pour des transformations à volume ou  à pression constante, on parlera dans ce cas des capacités thermiques à volume constant  et à pression constante. Ces deux capacités se déduisent l’une de l’autre mais c’est la  mesure de la capacité thermique à pression constante qui est le plus facilement  accessible.  

dQ mCdT

 

   

 2 2

2 1 1 (1)

Q m C dT m C dT m C T T m C T      

Chaleur latente :

Les changements d’état ou transformations de phase telles que la  fusion, l’ébullition, la solidification, …des corps purs ont lieu à des  températures et pressions constantes. Elles correspondent à des  modifications des liaisons entre les molécules.

• On appelle chaleur latente massique L de changement d’état la chaleur  (énergie thermique) qu’il faut fournir à 1 Kg d’un corps pur pour le faire  passer d’un état (ou phase) à un autre.

• • Pour une masse M donnée : • Remarques :  • • la chaleur latente est une grandeur algébrique : elle peut être positive ou 

négative. Un apport d’énergie à un corps pur permet toujours de le faire  passer à un état plus dispersé et désordonné, c’est pour cela que, par  exemple, les chaleur latente de fusion (solide  liquide) et de  vaporisation (liquide  vapeur) sont positives. D’un autre côté, la  liquéfaction d’un corps (vapeur  liquide) s’accompagne par un  dégagement de chaleur, dans ce cas la chaleur latente sera négative.

  ; /Q ML L J Kg 

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