Ce cours couvre le domaine de la thermodynamique physique depuis les gaz parfaits jusqu'aux changements de phase et machines thermiques. Il s'appuie en grande partie sur le livre "Comprendre la Thermodynamique" de G. Gonczi (Dunod, 2nd ed. 2018).
Le développement de la thermodynamique repose sur deux notions clé: l'énergie et l'entropie. La première notion a été introduite en mécanique. La seconde sera abordée dès le début de la seconde séance de cours. Tout le reste en découlera.
Photo ci-contre: Dans cette centrale solaire thermodynamique, l'énergie thermique fournie par le soleil est convertie en énergie électrique. L'idée consiste à utiliser un grand nombre d'héliostats (cf. miroirs sur la photo) pour concentrer les rayons du soleil sur un fluide afin de le chauffer, puis de l'utiliser dans une machine thermique, par exemple de type "machine de Stirling" (cf. dernier chapitre de ce cours). Une telle centrale électrique participe à un authentique développement durable car elle ne consomme aucune ressource limitée, ni ne produit des gaz à effets de serre, ni de déchets radioactifs...
Dans ce premier chapitre nous abordons les questions fondamentales qui sont à l'origine de la thermodynamique.
En particulier nous introduisons:
Un des messages les plus importants de la thermodynamique est le fameux « Second Principe" qui, en substance, est le suivant: dans un système isolé, une configuration initialement ordonnée évolue naturellement vers le désordre…
Au coeur de ce principe se situe le concept d’entropie qui est introduit dans ce chapitre en faisant un bref détour par la physique statistique. L'entropie permettra de définir dans la suite la plupart des variables thermodynamiques.
Comme le précédent, ce chapitre introduit un élément fondamental de la thermodynamique, à savoir « le premier principe ». Ce dernier exprime la conservation de l'énergie au cours d’une transformation, dans laquelle on distingue les apports d’énergie sous forme « ordonnée » (travail) ou « désordonnée » (chaleur).
Ce chapitre couvre un cours et demi. Ainsi durant la deuxième séance, les notions de « sources thermiques », et de transformations d’un système «thermiquement isolé» (ou non) sont discutées en détails.
Ce petit chapitre revient sur la description des "gaz parfaits", puis montre comment s'approcher d’une description plus réaliste de la matière que celle donnée par la loi des gaz parfaits.
On introduit l'équation d'état de van der Waals qui, historiquement, fut le premier modèle de fluide thermodynamique permettant de faire un pont entre phases condensées et non condensées de la matière.
Les concepts fondamentaux de la thermo ayant été introduits dans les chapitres précédents, celui-ci étudie les coefficients thermodynamiques qui vont caractériser les propriétés thermodynamiques d’un matériau donné.
Ce chapitre couvre deux séances. La première introduit des outils théoriques qui permettent d’établir des relations générales et des liens entre les coefficients thermodynamiques.
Le second cours détaille deux types de coefficients thermodynamiques, à savoir:
Dans ce chapitre, on montre qu'on peut caractériser les équilibres thermodynamiques en minimisant certaines fonctions des variables d'état, appelées 'potentiels thermodynamiques'. Suivant les contraintes choisies (isochore, monobare, monotherme, ou monobare et monotherme) ces potentiels sont : l'énergie interne, l'enthalpie, l'énergie libre et l'enthalpie libre. Cette dernière fonction joue un rôle important pour décrire les changements de phases (chapitre suivant).
Les notions et outils étudiés aux chapitres précédents vont permettre d’aborder ici un nouveau thème de la thermodynamique: celui des changements d’états de la matière (gaz, liquide, solide).
Ce chapitre débouche sur de nombreuses applications, et est traité au cours de deux séances:
La première introduit les équilibres biphasés, leurs représentations dans les plan (T,P) et (V,P), et la chaleur latente de changement de phase.
La seconde séance prolonge la première en abordant les représentations graphiques à 3 dimensions, et en distinguant les notions de vaporisation, d’évaporation, de fluide supercritique, d’opalescence, de liquide surfondu, etc.
Ce dernier chapitre est un retour sur les questions posées durant le premier cours:
Comment transformer la chaleur en travail utile ?
Par quel procédé peut-on refroidir efficacement la matière ?
Ces questions sont étudiées avec les outils vus durant les chapitres précédents. Elles débouchent vers le concept commun de « machine thermique » dont on connaît de nombreuses applications dans la vie de tous les jours...
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