CHAPITRE 1 : Concepts fondamentaux de la thermodynamique
Pr. LAKNIZI AZZEDDINE
Auto/Aero 2- UIR
2020
The lecture deals with
• Property and state
• Pressure and Pressure variation with Depth
• Temperature
Thermodynamique?
Thermo + Dynamique
✓Thermo: la chaleur ou énergie thermique
✓Dynamique: puissance
• Thermodynamique est l'étude de l'énergie et de sa relation avec les propriétés de la
matière. Plus précisément, la thermodynamique régit les aspects suivants :
• La conversion de l'énergie, l'échange d'énergie et la direction de cet échange.
• La faisabilité d'un processus impliquant de l'énergie.
Les formes d'énergie:
• Energie cinétique
• Energie potentiel
• Energie interne
Echange d'énergie:
• Travail
• Chaleur
Recap: Système thermodynamique
Système thermodynamique
• Quantité de matière ou région d'espace choisie pour l'étude.
Frontière
• Couche réelle ou imaginaire qui sépare le système de son environnement.
Milieu extérieur (Environnement)
• Espace physique à l'extérieur de la frontière du système
Propriété
• Pour décrire un système et prédire son comportement, il faut avoir
connaissance de ses propriétés et de la manière dont ces propriétés sont liées
entre elles.
• Les propriétés sont des caractéristiques macroscopiques (mesurables) d'un
système telles que la masse, le volume, l'énergie, la pression et la température,
auxquelles des valeurs numériques peuvent être attribuées à un moment
donné sans avoir besoin de connaître l'histoire passée du système.
• Une propriété thermodynamique est une fonction qui ne dépend pas de
chemin suivi. La pression, la température, le volume ou le volume molaire sont
quelques-unes des quantités qui satisfont à ces exigences.
Différentielle totale exacte
𝑓 𝑥, 𝑦
La forme différentielle de 𝒇(𝒙,𝒚) est :
𝑑𝑓 𝑥, 𝑦 =
𝜕𝑓
𝑑𝑥 +
𝜕𝑥 𝑦
𝜕𝑓
𝑑𝑦
𝜕𝑦 𝑥
La condition pour qu'une quantité soit une différentielle totale exacte est :
𝜕 𝜕𝑓
𝜕 𝜕𝑓
=
𝜕𝑦 𝜕𝑥
𝜕𝑥 𝜕𝑦
• En thermodynamique, lorsque df est exacte, la fonction f est une fonction ponctuelle et une propriété
thermodynamique du système.
• Cette quantité f peut être utilisée pour décrire ou spécifier l'état d'un système. C'est la propriété de
l'état actuel du système et elle ne dépend pas de la manière dont le système est parvenu à cet état.
Exemple : Prouver que le volume est une propriété thermodynamique ?
Indication : Supposons un gaz parfait (PV = nRT).
L'état
• L'état d'un système fait référence à la condition d'un système telle que
décrite par ses propriétés.
• L'état thermodynamique d'une substance est entièrement spécifié par
deux propriétés indépendantes.
Types de propriétés : Intensives et Extensives
• Il existe certaines propriétés qui dépendent de la taille ou de l'étendue du système, et il
existe certaines propriétés qui sont indépendantes de la taille ou de l'étendue du
système. Les propriétés telles que le volume, qui dépendent de la taille du système, sont
appelées des propriétés extensives.
• Les propriétés telles que la température et la pression, qui sont indépendantes de la
masse du système, sont appelées des propriétés intensives.
• Les propriétés intensives sont celles qui restent inchangées, tandis que les propriétés
dont les valeurs augmentent ou diminuent proportionnellement à l'agrandissement ou à
la réduction du système sont appelées des propriétés extensives.
T
V
P
m
couleur
T
V/2
P
m/2
couleur
T
V/2
P
m/2
couleur
Recap!
• Toute caractéristique d'un système est connue sous le nom de PROPRIÉTÉ.
• Cela inclut la pression (P), le volume (V), la température (T), la masse (m), etc.,
ainsi que la viscosité (μ), la résistance électrique (R), la conductivité thermique
(k), etc.
Intensive : Indépendantes de la masse du système
Extensive : Dépendante de la masse du système
Spécifique : Propriété extensive par unité de masse. Volume
spécifique (v = V/m), Enthalpie spécifique (h = H/m).
La pression
• La pression est définie comme une force normale exercée par un fluide par unité de
surface.
• Les unités de pression sont en newton par mètre carré (N/m²), ce qui est appelé un pascal
(Pa).
• Étant donné que l'unité Pa est trop petite pour les pressions rencontrées en pratique, le
kilopascal (1 kPa = 10^3 Pa) et le mégapascal (1 MPa = 10^6 Pa) sont couramment utilisés.
Pression
• La plupart des dispositifs de mesure de la pression sont étalonnés pour afficher zéro
dans l'atmosphère
• Indiquent donc la pression relative, P_relative = P_absolue - P_atmosphérique.
Pression : variation avec la profondeur
Équation hydrostatique
𝑔𝑎𝑟𝑑 𝑃 = 𝜌𝑔Ԧ
𝑑𝑃
= −𝜌𝑔
𝑑𝑍
𝑃𝑎𝑡𝑚
‫𝑃׬‬
𝑑𝑃 = −𝜌𝑔𝑑𝑍
ℎ
𝑑𝑃 = −𝜌𝑔 ‫׬‬0 𝑑𝑍
𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃 = −𝜌𝑔 (ℎ − 0)
𝑃 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝜌𝑔ℎ
Où :
𝜌 représente la densité du fluide.
𝑔 est l'accélération gravitationnelle locale.
𝑃 est la pression absolue (totale).
𝑃𝑎𝑡𝑚 est la pression atmosphérique.
𝜌𝑔h est la pression relative).
𝑍
MILLENNIUM PRIZE SERIES
• SÉRIE DES PRIX DU MILLÉNAIRE : Les Problèmes du Prix du Millénaire sont sept problèmes mathématiques énoncés par l'Institut
de mathématiques Clay en 2000.
• Ils ne sont pas faciles - une solution correcte à l'un d'entre eux donne droit à un prix de 1 000 000 de dollars décernés par l'institut.
• Le mathématicien russe Grigori Perelman a reçu le Prix.
He declined the prize
money.
Il a refusé l'argent du prix.
La pression
• La pression en tout point d'un fluide est la même dans toutes les directions.
• La pression a une magnitude, mais n'a pas de direction spécifique, ce qui en fait une quantité scalaire.
𝑃𝐴 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝜌𝑔ℎ
𝑃𝐴 = 𝑃𝐵 = 𝑃𝐶 = 𝑃𝐷 = 𝑃𝐸 = 𝑃𝐹 = 𝑃𝐺
𝑃𝐻 ≠ 𝑃𝐼
La pression
Pression : variation avec la profondeur
∆𝑷 = 𝝆𝒍𝒊𝒒𝒖𝒊𝒅𝒆 𝒈𝒉
𝑷𝟏 − 𝑷𝟐 = 𝝆𝒍𝒊𝒒𝒖𝒊𝒅𝒆 𝒈𝒉
Gaz
Liquide
𝑷𝟏 = 𝑷𝟐 + 𝝆𝒍𝒊𝒒𝒖𝒊𝒅𝒆 𝒈𝒉
𝑷𝒈𝒂𝒛 = 𝑷𝟏 = 𝑷𝟐 + 𝝆𝒍𝒊𝒒𝒖𝒊𝒅𝒆 𝒈𝒉
Le principe zéro de la thermodynamique
• Énoncé : Si un objet 1 est en équilibre thermique avec le objet 2 et
le objet 3, alors le corps objet et le objet 3 sont également en
équilibre thermique entre eux.
Qu'est-ce que la température ?
• Quantité physique utilisée pour nous informer sur la froideur ou la chaleur d'une substance.
• Quantité physique liée à l'énergie cinétique microscopique ou à l'énergie cinétique des particules de
la matière. Toute la matière est composée de particules (atomes). Tous les atomes sont en
mouvement à moins que la température ne soit de 0 degré kelvin, appelé zéro absolu.
Parmi les états de la matière ci-dessous, lequel possède davantage d'énergie thermique ?
État de la matière
Arrangement et mouvement des particules
• A un volume et une forme fixe
• Ne peut pas être comprimé
• Les particules sont étroitement rangées de
manière ordonnée.
• Il y a des forces fortes entre les particules. Les
particules ne peuvent que vibrer autour de leurs
positions.
• A un volume fixe mais n'a pas une
• Les particules sont étroitement rangées ensemble
forme fixe (prend la forme du
mais pas de manière ordonnée.
contenant)
• Elles interagissent par des forces fortes, mais
• Ne peut pas être facilement comprimé
moins fortes que celles dans un solide.
• Les particules peuvent vibrer, tourner et se
déplacer à travers le liquide
• N'a ni un volume ni une forme fixe
• Peut être facilement comprimé
• Les particules sont très éloignées les unes des
autres et en mouvement aléatoire.
• Forces faibles.
• Les particules peuvent vibrer, tourner et se
déplacer. Avec un taux élevé de collisions.
Capteur de température
• Selon le principe zéro de la thermodynamique, la température d'un groupe de corps
peut être comparée en mettant un corps particulier (un thermomètre) en contact avec
chacun d'entre eux tour à tour. Pour quantifier la mesure, l'instrument doit avoir des
propriétés thermométriques. Les propriétés thermométriques couramment utilisées
comprennent :
1.La longueur d'une colonne de mercure dans un tube capillaire.
2.La résistance électrique d'un fil (Pt100).
3.La force électromotrice (FEM) générée à la jonction de deux fils de métaux différents.
1) La longueur d'une colonne de mercure dans un tube capillaire.
2) La résistance électrique d'un fil (Pt100).
3) La force électromotrice (FEM) générée à la jonction de deux fils de métaux différents.
Échelle de température : Échelle Celsius
• Pour attribuer des valeurs numériques à l'état thermique d'un système, il est
nécessaire d'établir une échelle de température sur laquelle la température d'un
système peut être lue. Par conséquent, l'échelle de température est lue en
attribuant des valeurs numériques à certains états facilement reproductibles.
Point de congélation de la glace : La température
d'équilibre de la glace avec de l'eau saturée en air à la
pression atmosphérique standard, à laquelle une valeur
de 0°C est attribuée.
Point d'ébullition : La température d'équilibre de l'eau
pure avec sa propre vapeur à la pression atmosphérique
standard, à laquelle une valeur de 100°C est attribuée.
Cette échelle est appelée l'échelle Celsius, nommée d'après
Anders Celsius.
Échelle de température : Échelle Kelvin
L'échelle de température absolue dans le système international (SI) est l'échelle Kelvin, qui est liée
à l'échelle Celsius par la relation suivante :
Le Kelvin est utile en science car 0 degré Kelvin est appelé zéro absolu, c'est la température à laquelle les
molécules n'ont aucun mouvement vibratoire et donc absolument aucune énergie thermique.
C'est un point de référence important dans la thermodynamique et la physique, car il représente la
température la plus basse possible.
Exercise 1
Une nouvelle échelle N de température est divisée de manière à ce que le point
de congélation de la glace soit de 100°N et le point d'ébullition soit de 400°N.
Quelle est la lecture de température sur cette nouvelle échelle lorsque la
température est de 150°C ? À quelle température les lectures de température
sur l'échelle Celsius et la nouvelle échelle seraient-elles les mêmes ?
1)
A System Which Has Neither Mass Nor Energy Transfer Across The Boundary Is called:
A) Closed System
B) Open System
C) Isolated System
D) None of the above
2) Ice melting at the atmospheric pressure is:
A) Isochoric Process
B) Isothermal Process
C) Isothermal and Isochoric Process
D) Isothermal and Isobaric Process
3) Air heating inside closed and rigid container:
A)
Isothermal Process
B)
Adiabatic Process
C)
Isochoric Process
D)
Isothermal and Isobaric Process
1. Un système dans lequel il n'y a ni transfert de masse ni transfert d'énergie à travers la frontière est
appelé :
A) Système fermé
B) Système ouvert
C) Système isolé
D) Aucun des choix précédents
2. La fonte de la glace à pression atmosphérique est :
A) Processus isochore
B) Processus isotherme
C) Processus isotherme et isochore
D) Processus isotherme et isobare
3. Le chauffage de l'air à l'intérieur d’un récipient fermé et rigide :
A) Processus isotherme
B) Processus adiabatique
C) Processus isochore
D) Processus isotherme et isobare
• Les deux un manomètre et une jauge de pression sont fixés à un
réservoir de gaz pour mesurer sa pression. Si la lecture sur la jauge de
pression est de 80 kPa, déterminez la distance entre les deux niveaux
de fluide du manomètre si le fluide est
• (a) du mercure (ρ=13,600 kg/m3)
• (b) de l'eau (ρ=1000 kg/m3).