Penser a Donner , Dire et Partager (ABDOUL-AZIZ)

                               Introduction

1:Thermodynaquoi ??

La thermodynamique (souvent abrégée "thermo") est une branche de la physique qui étudie les mouvements (dynamique) de la chaleur et plus généralement de l'énergie (thermo). Cette science est née au XVIIe  siècle mais n'a connu son véritable essor que pendant la révolution industrielle au XIXe  siècle. Le but était de théoriser et de mieux comprendre les machines thermiques (notamment à vapeur) qui étaient inventées à l'époque comme la locomotive par exemple.
Alors, pourquoi faire un cours sur la thermodynamique me direz-vous ?
Il y a plusieurs raisons de s'intéresser à la thermodynamique :

• Elle permet d'aborder des concepts fondamentaux en physique comme l'énergie ou l'entropie assez facilement (nous reviendrons dessus, rassurez vous  ).
• Le nombre d'applications de la thermodynamique est immense, c'est une science majeure de l'ingénieur.
• Elle pose des méthodes applicables partout ailleurs en physique.
• Et bien d'autres encore qu'il serait trop long de citer...

Euh, pour l'instant tu as juste exposé des trucs vagues, tu peux nous donner des exemples d'applications pour y voir plus clair ?

Certainement. Une des plus célèbres applications de la thermodynamique est un objet que vous voyez tous les jours par dizaines, j'ai nommé ... la voiture ! Avant d'être un assemblage mécanique, un moteur de voiture est surtout une machine thermique. Mais il y a beaucoup d'autres applications que vous cotoyez au quotidien, en vrac : le frigo, le chauffage, vos cellules (si si, vos cellules sont des mini-systèmes thermodynamiques) et même votre ordinateur (eh oui, il faut bien refroidir les circuits de votre bécane, c'est de la thermo aussi).

OK, avant de passer au choses sérieuses je vous propose de commencer par un petit tour d'horizon des grandeurs que nous allons utiliser pendant ce cours ainsi que quelques définitions.

2 :Grandeurs et unités de la thermo

Pour que les choses soient bien claires, je vais lister l'ensemble des grandeurs génériques en physique qui sont utiles en thermo. Je définierai les grandeurs plus avancées lorsque nous les découvrirons dans le cours.

La température, exprimée en Kelvin C'est la grandeur reine de la thermodynamique. La température permet de mesurer le degré d'agitation des molécules, plus la température est élevée plus les molécules sont agitées. Pour la mesurer, oubliez les degrés Celsius ou Fahrenheit, ici nous allons utiliser une unité qui met tout le monde d'accord : le Kelvin (K) !

Quoi ? Encore une unité de température ?

Eh oui c'est comme ça... Une unité Kelvin vaut 1 °C : quand la température varie d'1 °C elle varie aussi d'un K. Par contre le 0 K n'est pas le 0 °C, le 0 K correspond au zéro absolu, la température ultime en dessous de laquelle rien ni personne ne peut descendre, elle vaut -273,15 °C, autant vous dire que c'est très très très froid. A 0 K, il fait tellement froid que les molécules sont figées sur place et ne bougent pas du tout.

Ainsi pour convertir des °C en K il suffit d'ajouter 273,15 et le tour est joué. La température sera notée T dans la suite du cours.

Le volume, exprimé en m3  En thermodynamique nous utilisons le mètre cube plutôt que le litre, il correspond au volume contenu dans un cube de 1 mètre de coté et vaut 1000 litres. Le volume sera noté V (avec un V majuscule, c'est important pour ne pas le confondre avec la vitesse notée en minuscule).

La masse, exprimée en kg Nous l'utiliserons peu, mais je signale ici qu'en physique nous utilisons plutôt le kilogramme (kg) que le gramme, ce dernier étant trop petit. La masse sera notée m.

La pression, exprimée en Pascal La pression, elle correspond à une force par unité de surface, elle s'exprime en Pascal (Pa). Un Pascal équivaut à une force de 1 Newton répartie sur une surface de 1 m2 , 1 Newton correspond au poids d'un objet d'à peu près 100 g pour fixer les idées (0.1 kg pour les physiciens  ). Il est possible que vous ayez déjà entendu parler de bars pour mesurer la pression, sachez qu'un bar vaut 100 000 Pa, soit à peu de choses près la pression atmosphérique moyenne au sol. On parle souvent de la pression d'un gaz ou d'un liquide, plus la pression est élevée, plus il y a de force contre les molécules et plus les molécules sont serrées les unes contre les autres. La pression sera notée P.

La quantité de matière, exprimée en moles La quantité de matière s'exprime en moles (mol), dans une mole il y a 6,022.1023  molécules (ce nombre s'appelle le nombre d'Avogadro et se note NA ). La quantité de matière sera notée n.

L'énergie, exprimée en Joule Alors là on commence à taquiner des grandeurs un peu exotiques. On a tous vu des films de science fiction où les personnages se battent à grands coups de boules d'énergies, d'épées énergétiques et j'en passe, mais c'est quoi au juste l'énergie ? Vous pouvez voir l'énergie comme la capacité qu'a un objet à communiquer de la chaleur, par exemple si vous frotter votre main très vite contre votre peau, vous allez ressentir de la chaleur, c'est parce qu'en bougeant, votre main possède de l'énergie (qu'on appelle cinétique dans ce cas car c'est l'énergie liée à la vitesse). Cette énergie est dissipée par les frottements contre la peau et l'énergie dissipée chauffe la peau. L'énergie s'exprime en Joules (J). L'énergie sera notée E. L'énergie en elle même n'a pas de sens physique, seules les différences d'énergies en ont (retenez bien ça c'est très important). L'énergie est une grandeur conservative, c'est à dire qu'il n'y a pas de création ou de disparition d'énergie. Si un objet a son énergie qui augmente ou diminue c'est qu'il y a de l'énergie qui entre ou qui sort.

La puissance, exprimée en Watt On connait déjà mieux la puissance, chaque voiture par exemple a un moteur qui développe une certaine puissance. La puissance se mesure en Watts (W) et correspond à la quantité d'énergie fournie à un objet ou par un objet en 1 seconde, le Watt équivaut donc à des Joules par seconde, vous pouvez voir ça comme une vitesse de transmission d'énergie. On exprime souvent la puissance des voitures en chevaux, un cheval valant 735,5 W , le moteur d'une voiture de sport de 500 chevaux fournit donc à la voiture 368 000 W soit 368 000 Joules par seconde.

3 :Quelques modèles et concepts et après on est parti !

Il me reste à vous présenter quelques modèles et notations que nous allons utiliser tout le long de ce cours et après on va (enfin !) pouvoir se lancer.

Les notations d et Δ On commence par le plus compliqué. La notation d correspond à une très petite variation d'une grandeur. Par exemple, dT est une très petite variation de température. Ceci nous permettra de faire du calcul intégral (rien de bien méchant je vous rassure). En intégrant une petite variation d, on obtient une plus grande variation que l'on note Δ  (delta majuscule), qui représente la variation d'une grandeur entre le début et la fin d'une expérience, c'est une différence (état final - état initial). Si le d ou le Δ d'une grandeur est positif, cela veut dire que cette grandeur a augmenté, diminué s'il est négatif.

Modèle du gaz parfait Dans l'intégralité du cours nous allons considérer les gaz comme parfaits, c'est à dire que nous allons supposer qu'il n'existe aucune interaction entre les molécules de gaz. Ce modèle ne décrit pas la réalité mais s'en approche. Les gaz parfaits sont décrits par la relation des gaz parfaits :

P.V=n.R.T 

Encadrez la et apprenez la car c'est l'une des relations les plus utilisées en thermo.

Question ! Tu nous a déjà parlé de P, V, n et T, mais c'est quoi R ?

Ah oui, bonne question, R est une constante appelée constante des gaz parfaits et vaut :  8,314J.mol−1.K−1   .

Modèle du liquide incompressible Allez, je vous balance l'équation direct : dVdP=0  CRAC !  Cela veut dire que pour une variation de pression dP, la variation de volume dV vaut zéro. En clair dans le modèle du liquide incompressible le liquide ne diminue pas de volume lorsqu'on augmente la pression. Essayez chez vous, il est beaucoup moins facile de comprimer un ballon de baudruche rempli d'eau que le même ballon rempli d'air. Encore une fois ici, c'est un modèle qui correspond à une approximation de la réalité.

Bon, on en a fini avec ces présentations (nécessaires) et on va passez à la thermo proprement dite, c'est parti  !