3.S : La première loi de la thermodynamique (résumé)
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Termes clés
| processus adiabatique | processus au cours duquel aucune chaleur n'est transférée vers ou depuis le système |
| limite | des murs imaginaires qui séparent le système de son environnement |
| système fermé | système isolé mécaniquement et thermiquement de son environnement |
| processus cyclique | processus dans lequel l'état du système à la fin est identique à l'état au début |
| environnement | en dehors du système étudié |
| équation d'état | décrit les propriétés de la matière dans des conditions physiques données |
| équilibre | équilibre thermique établi entre deux objets ou pièces au sein d'un système |
| variable étendue | variable proportionnelle à la quantité de matière dans le système |
| première loi de la thermodynamique | le changement d'énergie interne pour toute transition entre deux états d'équilibre est\(ΔE_{int}=Q−W\) |
| variable intensive | variable indépendante de la quantité de matière présente dans le système |
| énergie interne | moyenne de l'énergie mécanique totale de toutes les molécules ou entités du système |
| processus isobarique | processus au cours duquel la pression du système ne change pas |
| processus isochore | processus au cours duquel le volume du système ne change pas |
| procédé isotherme | processus pendant lequel la température du système reste constante |
| capacité calorifique molaire à pression constante | quantifie le rapport entre la quantité de chaleur ajoutée éliminée et la température lors de la mesure à pression constante |
| capacité calorifique molaire à volume constant | quantifie le rapport entre la quantité de chaleur ajoutée éliminée et la température lors de la mesure à volume constant |
| système ouvert | système capable d'échanger de l'énergie et/ou de la matière avec son environnement |
| processus quasi-statique | évolution d'un système qui avance si lentement que le système impliqué est toujours en équilibre thermodynamique |
| processus réversible | processus qui peut être rétabli pour restaurer simultanément le système et son environnement à leur état d'origine |
| les environs | environnement qui interagit avec un système ouvert |
| processus thermodynamique | la manière dont l'état d'un système peut passer de l'état initial à l'état final |
| système thermodynamique | objet et objectif de l'étude thermodynamique |
Équations clés
| Équation d'état pour un système fermé | \(f(p,V,T)=0\) |
| Réseau pour une variation de volume limitée | \(W=∫^{V_2}_{V_1}pdV\) |
| Énergie interne d'un système (énergie totale moyenne) | \(E_{int}=\sum_i(\bar{K_i}+\bar{U_i})\), |
| Énergie interne d'un gaz idéal monatomique | \(E_{int}=nN_A(\frac{3}{2}k_BT)=\frac{3}{2}nRT\) |
| Première loi de la thermodynamique | \(ΔE_{int}=Q−W\) |
| Capacité calorifique molaire à pression constante | \(C_p=C_V+R\) |
| Rapport des capacités calorifiques molaires | \(γ=C_p/C_V\) |
| Condition d'un gaz idéal dans un processus adiabatique quasi statique | \(pV^γ=constant\) |
Résumé
3.2 Systèmes thermodynamiques
- Un système thermodynamique, ses limites et son environnement doivent être définis et tous les rôles des composants expliqués en détail avant de pouvoir analyser une situation.
- L'équilibre thermique est atteint avec deux objets si un troisième objet est en équilibre thermique avec les deux autres séparément.
- Une équation d'état générale pour un système fermé a la forme\(f(p,V,T)=0\), avec un gaz idéal à titre d'exemple illustratif.
3.3 Travail, chaleur et énergie interne
- Un système thermodynamique effectue un travail positif (négatif) lorsqu'il se dilate (se contracte) sous l'effet d'une pression externe.
- La chaleur est l'énergie transférée entre deux objets (ou deux parties d'un système) en raison d'une différence de température.
- L'énergie interne d'un système thermodynamique est son énergie mécanique totale.
3.4 Première loi de la thermodynamique
- L'énergie interne d'un système thermodynamique est fonction de l'état et est donc unique pour chaque état d'équilibre du système.
- L'augmentation de l'énergie interne du système thermodynamique est donnée par la chaleur ajoutée au système moins le travail effectué par le système dans tout processus thermodynamique.
3.5 Processus thermodynamiques
- Le comportement thermique d'un système est décrit en termes de variables thermodynamiques. Pour un gaz idéal, ces variables sont la pression, le volume, la température et le nombre de molécules ou de moles du gaz.
- Pour les systèmes en équilibre thermodynamique, les variables thermodynamiques sont liées par une équation d'état.
- Un réservoir de chaleur est si grand que lorsqu'il échange de la chaleur avec d'autres systèmes, sa température ne change pas.
- Un processus quasi statique se déroule si lentement que le système impliqué est toujours en équilibre thermodynamique.
- Un processus réversible est un processus qui peut être amené à revenir sur sa trajectoire et dont la température et la pression sont uniformes dans tout le système.
- Il existe plusieurs types de processus thermodynamiques, notamment (a) isotherme, où la température du système est constante ; (b) adiabatique, où aucun échange de chaleur n'est produit par le système ; (c) isobarique, où la pression du système est constante ; et (d) isochore, où le volume du système est constant.
- Comme conséquence de la première loi de la thermodymanique, voici un résumé des processus thermodymaiques :
- a) isotherme :\(ΔE_{int}=0,Q=W\) ;
- b) adiabatique :\(Q=0,ΔE_{int}=−W\) ;
- (c) isobare :\(ΔE_{int}=Q−W\) ; et
- (d) isochore :\(W=0,ΔE_{int}=Q\).
3.6 Capacités calorifiques d'un gaz idéal
- Pour un gaz idéal, la capacité molaire à pression constante\(C_p\) est donnée par\(C_p=C_V+R=dR/2+R\), où d est le nombre de degrés de liberté de chaque molécule ou entité du système.
- Un gaz réel a une chaleur spécifique proche mais légèrement supérieure à celle du gaz idéal correspondant avec\(C_p≃C_V+R\).
3.7 Procédés adiabatiques pour un gaz idéal
- Une expansion adiabatique quasi statique d'un gaz idéal produit une courbe pV plus abrupte que celle de l'isotherme correspondant.
- Une expansion réaliste peut être adiabatique mais rarement quasi-statique.