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I.U.T. de Saint-Omer Dunkerque
Departement Genie Thermique et energie
COURS DE THERMODYNAMIQUE
1 er semestre
Olivier PERROT
2010-2011
1Avertissement :
Ce cours de thermodynamique, est destine aux etudiants de 1 reannee d'enseignement superieur. Les trois premiers chapitres introduisent les de- nitions utilisees en calorimetrie. Les chapitres suivants developpent les deux premiers principes de la thermodynamique pour les systemes fermes. Cette presentation resulte de la lecture de nombreux ouvrages et documents dont la plupart ne sont pas cites dans la bibliographie. En particulier, je me suis largement inspire du polycopie du professeur R. Houdart, ainsi que des nom- breux documents accessibles en ligne. 2Bibliographie :
1.G. BR UHAT,Thermo dynamique,Edition Masson
2. J.P .LONCHAMP,Thermo dynamiqueet in troduction ala physique statistique, Edition Eyrolles 3. J.M.SMITH et H.C. V ANHESS, In troductionto c hemical engineering thermodynamics, Edition Mc Graw-Hill 4. J.C. SISSI, Princip esde thermo dynamique,Edition Mc Gra w- Hill 5. R. V ICHNIEVSKY,Thermo dynamiqueappliqu eeaux mac hi- nes, Edition Masson 6. C. LHU ILLIER,J. R OUS,In troduction ala thermo dy- namique, Edition Dunod 7. F. REIF, Ph ysiquestatistique, Edition Armand Coli n 8. H. GUENOCHE, C. SEDES, Thermo dynamiqueappliqu ee,Edition Masson
9. H.LUMBR OSO,Thermo dynamique, 100 exercices et probl emes resolus, Edition Mc Graw-Hill 10. J.L. QUEYREL, J. MESPLEDE, Pr ecisde ph ysique,ther- modynamique, cours et exercices resolus, Edition Real 11.A. MOUSSA, P .PONSONNET, Exercices d ethemo dy-
namique, Edition Andre Desvigne 3Table des matieres
1 Thermometrie
91.1 Notion de temperature
91.2 Phenomenes accompagnant la variation de temperature :
91.3 Choix de la grandeur physique evaluant la temperature :
101.4 Notion d'equilibre thermique
111.5Echelles thermometriques lineaires. . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.1Echelle Celsius, approche historique. . . . . . . . . . . 11
1.5.2Echelle de Fahrenheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.3Echelle absolue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Autres thermometres a dilatation de liquide
131.7 Thermometre presqu'ideal
131.8 Notion de gaz parfait : denition
141.9Equation d'un gaz parfait pournmoles :. . . . . . . . . . . . 14
1.10 Autres thermometres
151.11 Thermistances
151.12 Thermocouples : Eet Seebeck
151.13 Applications industrielles
161.14 Pyrometres optiques
162 Dilatation des solides, des liquides et des gaz
172.1 Dilatation des solides
172.2 Coecient de dilatation lineaire
192.3 Dilatation cubique
202.4 Relation entre le coecient de dilatation cubiqueket le coef-
cient de dilatation lineaire. . . . . . . . . . . . . . . . . .212.5 Variation de la masse volumique
222.6 Dilatation des liquides
232.7 Coecient de dilatation absolue
242.8 Coecient de dilatation apparente d'un liquide
242.9 Dilatation de l'eau
252.10 Dilatation des gaz
264
TABLE DES MATI
ERES2.11 Dilatation a pression constante. . . . . . . . . . . . . . . . . 262.12 Dilatation a volume constant
273 Quantite de chaleur
293.1 La quantite de chaleur : grandeur mesurable
293.2 Unites de quantites de chaleur
303.3Equivalence travail - chaleur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Principes fondamentaux de la calorimetrie
313.5 Chaleur massique
313.6 Chaleur massique des solides
323.7 In
uence de la temperature 323.8 Chaleur massique des liquides
323.9 Chaleur massique d'un gaz
333.10 Gaz parfaits
353.11 Gaz reels
363.12 Chaleur latente de changement d'etat
363.13 Capacite calorique
374 Notions generales sur la thermodynamique
384.1 Rappel chronologique
384.2 Principes de la thermodynamique classique :
394.3 Denitions :
394.4 Proprietes des parois d'un systeme
404.5 Variables thermodynamiques
404.6 Variables independantes
414.7 Etat d'equilibre
414.8 Transformations ou processus thermodynamiques
414.9 Classication des transformations
414.10 Transformation ouverte reversible
434.11 Notion de pression : denition
434.12 Travail des forces de pression
454.13 Calcul du travail elementaire des forces de pression
454.14 Diagramme de Clapeyron
464.15 Transformation isotherme
474.16 Transformation isobare
484.17 Transformation isochore
494.18 Transformation adiabatique
505 Le premier principe de thermodynamique
525.1 Systemes fermes
525.2 Principe de l'etat initial et de l'etat nal
545
TABLE DES MATI
ERES5.3
Energie interne : denition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.4 Applications du premier principe
555.5 Fonction enthalpie
566 Proprietes energetiques de gaz parfaits
586.1 Lois fondamentales des gaz parfaits
586.2 Lois de Gay-Lussac et Charles
596.3Equation des gaz parfaits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.4 Volume molaire normal d'un gaz parfait
616.5 Densite d'un gaz par rapport a un autre
616.6 Experience caracterisant les gaz parfaits
626.7 Expression de la variation d'energie interne pour une transfor-
mation quelconque 636.8 Expression de la variation d'enthalpie pour une transformation
quelconque 636.9 Relation de Robert Mayer
656.10 Bilan des grandeurs energetiques pour les dierentes transfor-
mations 656.11 Travail echange au cours d'une transformation adiabatique
686.12 Transformations polytropiques
696.13 Calcul de la quantite de chaleur echangee dans le cas d'une
transformation polytropique 696.14 Melange de gaz parfaits
706.15 Equation d'etat d'un melange de gaz parfaits
717 Le second principe
737.1Enonces du second principe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2 Cycle monotherme reversible
747.3 Cycle monotherme irreversible
757.4 Cycle ditherme
757.5 Bilan des echanges de chaleur
767.6 Classication des machines thermiques
787.7 Expression des rendements
827.8 Theoreme de Carnot
837.9 Inegalite de Clausius
847.10 Expression mathematique du deuxieme principe
857.11 Expression mathematique du deuxieme principe : conclusion
887.12 Diagramme entropique
887.13 Exemples de calcul de la variation d'entropie
907.14 Calcul de la variation d'entropie d'un systeme avec source
927.15 Entropie d'un gaz parfait en fonction des variables (T;V). . . 94
6TABLE DES MATI
ERES7.16 Entropie d'un gaz parfait en fonction des variables (P;T) , (P;V). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 957.17 Calcul de la variation d'entropie totale appliquee au cycle de
Carnot
968 Proprietes des corps purs
998.1 Surface d'etat :
998.2 Pression de vapeur saturante
1018.3 Caracteristiques du point critique
1018.4 Approximation algebrique de la pression de vapeur saturante
en fonction de la temperature 1028.5 Chaleur latente de vaporisation :LV. . . . . . . . . . . . . .102
8.6 Formule de Rankine
1058.7 Retards a la vaporisation et a la liquefaction
1068.8 Denition de l'etat d'un melange
1078.9 Chauage a volume constant : tubes de Natterer
1088.10 Entropie d'une vapeur saturee
1098.11 Detente adiabatique d'une vapeur saturee ou surchauee
1097