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Jean-Noël Foussard

Edmond Julien

Stéphane Mathé

Hubert Debellefontaine

Cours et exercices corrigés

Les bases de

la thermodynamique 3 e

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©Dunod, 2005, 2010, 2015

5 rue Laromiguière, 75005 Paris

www.dunod.com ISBN 978-2-10-072131-3Retrouver ce titre sur Numilog.com

TABLE DES MATIÈRES

Avant-proposIX

IntroductionXI

Chapitre 1.

Notions fondamentales1

1.1 La notion de système

1

1.1.1 Définition1

1.1.2 Les différents types de systèmes2

Exercice d"application. Types de systèmes3

1.1.3 Description de l"état d"un système3

Exercice d"application. La notion de pression hydrostatique5

1.1.4 Caractère intensif ou extensif d"une variable6

1.1.5 Homogénéité et hétérogénéité d"un système7

Exercice d"application. Système homogène et hétérogène7

1.2 Évolution d"un système8

1.2.1 État de repos et état d"équilibre d"un système8

Exercice d"application. La notion d"état d"équilibre thermodynamique 9

1.2.2 La notion de transformation10

1.3 L"outil mathématique13

1.3.1 Différentielle et forme différentielle13

1.3.2 Fonction d"état et grandeur de transformation14

1.3.3 La notion de fonction homogène15

Exercice d"application. Fonction homogène et grandeur intensive15

1.4 Les systèmes thermoélastiques physiques16

1.4.1 Équations d"état16

Exercice d"application. Relations entre les coefficients différentiels17

1.4.2 Les coefficients thermoélastiques17

1.5 Le modèle du gaz parfait18

1.5.1 Approche expérimentale du gaz parfait18

1.5.2 Définition du gaz parfait20

Exercice d"application. Gaz parfait et coefficients calorimétriques22

1.5.3 Mélange de gaz parfaits22

Exercices24

Solutions30

Chapitre 2.Travail et chaleur38

2.1 L"échange de travail avec l"extérieur

38

2.1.1 Préliminaires38

2.1.2 Les travaux mécaniques39

Exercice d"application. Système thermoélastique et travail mécanique 41

2.1.3 Les autres travaux42

©Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit.

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Les bases de la thermodynamique

2.2 L"échange de chaleur avec l"extérieur

43

2.2.1 La notion de chaleur44

2.2.2 La notion de source thermique45

2.2.3 L"échange de chaleur45

Exercice d"application. Relations entre les coefficients calorimétriques 46

2.2.4 Capacités calorifiques d"un corps pur47

2.2.5 Capacités calorifiques d"un mélange48

Exercice d"application. Capacité calorifique de l"air48

Exercices50

Solutions51

Chapitre 3.Le premier principe58

3.1 Le premier principe et l"énergie interne

58

3.1.1 Énoncé du premier principe58

3.1.2 Premier principe et transformation ouverte59

3.1.3 Conséquence du premier principe59

3.1.4 La notion d"énergie interne d"un système60

Exercice d"application. Calcul d"une variation d"énergie interne61

3.1.5 L"énergie interne, fonction d"état61

3.2 Application au gaz parfait62

3.2.1 La loi de Joule62

3.2.2 Conséquences pour le gaz parfait64

Exercice d"application. Compression irréversible d"un gaz parfait65

3.2.3 Conditions de validité d"une formule65

3.2.4 La transformation polytropique67

Exercice d"application. Détente d"un gaz parfait68

Exercices70

Solutions74

Chapitre 4.La fonction enthalpie84

4.1 Casdessystèmesfermés

84

4.1.1 La fonction enthalpie84

4.1.2 Les cas classiques85

Exercice d"application. Calcul de la variation d"enthalpie d"un système 86

4.2 Introduction aux systèmes ouverts87

4.2.1 Cas général87

4.2.2 Cas particulier d"un système ouvert stationnaire92

Exercice d"application. Étude d"un écoulement stationnaire simple93

4.2.3 La détente de Joule et Thomson94

Exercices96

Solutions100

Chapitre 5.Le deuxième principe104

5.1 Les insuffisances du premier principe

104

5.1.1 Transformation cyclique monotherme104

5.1.2 La notion de qualité de l"énergie105

5.1.3 Le niveau de transfert de la chaleur106

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Table des matières

5.2 Le deuxième principe

106

5.2.1 Relation de définition de l"entropie106

Exercice d"application. Calcul d"une variation d"entropie107

5.2.2 Bilan entropique d"un système fermé et deuxième principe108

5.2.3 Bilan entropique des systèmes ouverts en régime stationnaire109

5.2.4 Conséquences du deuxième principe109

5.2.5 Spontanéité d"une transformation110

Exercice d"application. Calcul d"une production d"entropie111

5.3 Entropie et système thermoélastique112

5.3.1 L"équation fondamentale de Gibbs112

5.3.2 Entropie et variables d"état112

5.3.3 Troisième principe et signification physique de l"entropie114

5.4 Les fonctions dérivées de l"entropie118

5.4.1 Énergie libre et enthalpie libre118

5.4.2 Énergie libre par rapport à l"ambiance119

5.4.3 Enthalpie libre par rapport à l"ambiance120

Exercice d"application. Récupération de l"énergie cinétique du vent121

5.4.4 Application à l"état d"équilibre d"un système physique121

Exercices122

Solutions126

Chapitre 6.Thermodynamique du corps pur132

6.1 Notions de base sur le corps pur

132

6.1.1 Changements d"état d"un corps pur132

6.1.2 Entropie absolue d"un corps pur134

Exercice d"application. Calcul de l"entropie absolue d"un corps pur136

6.1.3 Enthalpie libre molaire d"un corps pur137

6.1.4 Le phénomène de vaporisation140

6.1.5 Le phénomène de l"ébullition142

6.1.6 Condensation dans un milieu hétérogène en température143

6.2 Aspect thermodynamique143

6.2.1 Caractérisation de l"état d"équilibre143

6.2.2 La notion de variance144

6.2.3 La relation fondamentale de Clapeyron145

6.2.4 Représentation graphique149

Exercice d"application. Un peu de magie151

Exercice d"application. Le phénomène de cavitation152

6.2.5 Les retards aux transitions de phases153

Exercice d"application. Solidification de l"eau liquide en surfusion154

6.2.6 Transformations allotropiques du corps pur155

Exercices156

Solutions161

Chapitre 7.Les uides réels173

7.1 Les isothermes d"Andrews

173

7.1.1 Évolution isotherme d"un fluide réel173

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