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  • Unité d'enseignement : Thermodynamique classique avancée
Nombre de crédits de l'UE : 6
Code APOGEE : PHY3005L
:: Responsabilité de l'UE :
ISSENMANN BRUNO
 
0472431025
Type d'enseignement
Nb heures *
Cours Magistraux (CM)
22 h
Travaux Dirigés (TD)
22 h
Travaux Pratiques (TP)
16 h
Total du volume horaire
60 h
* Ces horaires sont donnés à titre indicatif.
Conditions d'accès à l'UE
Prérequis : UE PHY1001L "Thermodynamique 1 et Transferts Thermiques", UE MAT1005L "Techniques Mathématiques de Base", UE MAT1006L "Mathématiques 2"
Programme - Contenu de l'UE
* Préambule : Les notions de thermodynamique abordées dans le module « Thermodynamique I et Transferts Thermiques » en début de cycle L avec des applications en général limitées au cas particulier des gaz parfaits sont reprises ici dans le cadre général des systèmes thermodynamiques quelconques. La présentation utilise les outils mathématiques (fonctions de plusieurs variables, dérivées partielles, différentielle totale) acquis entre temps ce qui offre des possibilités de calculs prédictifs beaucoup plus riches. Quatre séances de Travaux Pratiques illustrent des aspects du programme. * Introduction : Approches complémentaires de la thermodynamique classique (macroscopique) et de la physique statistique (microscopique). * Définitions et outils mathématiques de la thermodynamique : Systèmes thermodynamiques ; systèmes fermés ; systèmes ouverts. Variables d'état ; équation d'état ; propriétés déduites de l'équation d'état (utilisation des dérivées partielles). * Premier Principe et Energie Interne : Transformations irréversibles, quasistatiques, réversibles ; variables extensives ou intensives ; travail échangé dans une transformation. Energie totale d'un système et Energie interne d'un système. Premier Principe de la Thermodynamique. Transferts thermiques ; coefficients calorimétriques ; conduction de la chaleur, loi de Fourier. Transformation adiabatique réversible d'un fluide, d'un gaz parfait. * Energie Interne et Enthalpie d'un gaz parfait : Détente de Joule, première loi de Joule, détente de Joule-Kelvin, enthalpie, détente supersonique. * Fonction Entropie et deuxième Principe : Irréversibilité ; nécéssité d'un principe d'évolution. Fonction Entropie S ; deuxième principe. Premières conséquences, équilibre thermique, mécanique, chimique. Exemples d'irréversibilité et calculs de variation d'entropie (déséquilibre mécanique, thermique, chimique ; entropie de mélange). Conclusion :Interprétation statistique de l'entropie. * Fonctions de Helmholtz et de Gibbs : Choix d'une fonction thermodynamique adaptée aux variables du système ; transformation de Legendre ; définition des fonctions F et G ; propriétés. Troisième principe de la thermodynamique. * Application de la thermodynamique à l'étude des substances homogènes : Relations de Maxwell ; formules de Clapeyron. Expressions de U, H, S pour un gaz parfait. Fonctions F et G d'un gaz parfait. Mélange de gaz parfaits : expression de S et de G. * Conditions d'équilibre des Systèmes. Potentiels Thermodynamiques : Conditions d'équilibre d'un système isolé ; d'un système à T et V fixés, propriétés de F ; d'un système à T et p fixées, propriétés de G. Quelques exemples d'application : pression osmotique, électrostriction. * Changements d'Etat d'une substance pure : Changements de phase (transitions de première espèce) ; propriétés caractéristiques ; formule de Clapeyron. Diagramme de phases en coordonnées p, T ; courbes d'équilibre, point triple. Transition liquide vapeur ; point critique ; comportement de la chaleur latente de vaporisation. Equilibre solide-liquide ; transformations allotropiques ; cristaux liquides. Transitions de seconde espèce ; un exemple la transition hélium fluide-hélium superfluide. * Systèmes hétérogènes sans réaction chimique : Fonctions de Gibbs et potentiels chimiques pour les systèmes à n constituants homogènes (une phase) puis hétérogènes (plusieurs phases). Conditions d'équilibre ; sens de l'évolution en cas de déséquilibre ; variance et règle des phases. Equilibre liquide-vapeur des systèmes binaires. Solution idéale ; loi de Raoult. Diagramme de phases du mélange ; séparation par distillation. Solutions réelles ; écart à la loi de Raoult ; azéotropie. Cas de deux liquides non miscibles. Indications qualitatives sur l'équilibre solide-liquide des systèmes binaires. * Préambule : Les notions de thermodynamique abordées dans le module « Thermodynamique I et Transferts Thermiques » en début de cycle L avec des applications en général limitées au cas particulier des gaz parfaits sont reprises ici dans le cadre général des systèmes thermodynamiques quelconques. La présentation utilise les outils mathématiques (fonctions de plusieurs variables, dérivées partielles, différentielle totale) acquis entre temps ce qui offre des possibilités de calculs prédictifs beaucoup plus riches. Quatre séances de Travaux Pratiques illustrent des aspects du programme. * Introduction : Approches complémentaires de la thermodynamique classique (macroscopique) et de la physique statistique (microscopique). * Définitions et outils mathématiques de la thermodynamique : Systèmes thermodynamiques ; systèmes fermés ; systèmes ouverts. Variables d'état ; équation d'état ; propriétés déduites de l'équation d'état (utilisation des dérivées partielles). * Premier Principe et Energie Interne : Transformations irréversibles, quasistatiques, réversibles ; variables extensives ou intensives ; travail échangé dans une transformation. Energie totale d'un système et Energie interne d'un système. Premier Principe de la Thermodynamique. Transferts thermiques ; coefficients calorimétriques ; conduction de la chaleur, loi de Fourier. Transformation adiabatique réversible d'un fluide, d'un gaz parfait. * Energie Interne et Enthalpie d'un gaz parfait : Détente de Joule, première loi de Joule, détente de Joule-Kelvin, enthalpie, détente supersonique. * Fonction Entropie et deuxième Principe : Irréversibilité ; nécéssité d'un principe d'évolution. Fonction Entropie S ; deuxième principe. Premières conséquences, équilibre thermique, mécanique, chimique. Exemples d'irréversibilité et calculs de variation d'entropie (déséquilibre mécanique, thermique, chimique ; entropie de mélange). Conclusion :Interprétation statistique de l'entropie. * Fonctions de Helmholtz et de Gibbs : Choix d'une fonction thermodynamique adaptée aux variables du système ; transformation de Legendre ; définition des fonctions F et G ; propriétés. Troisième principe de la thermodynamique. * Application de la thermodynamique à l'étude des substances homogènes : Relations de Maxwell ; formules de Clapeyron. Expressions de U, H, S pour un gaz parfait. Fonctions F et G d'un gaz parfait. Mélange de gaz parfaits : expression de S et de G. * Conditions d'équilibre des Systèmes. Potentiels Thermodynamiques : Conditions d'équilibre d'un système isolé ; d'un système à T et V fixés, propriétés de F ; d'un système à T et p fixées, propriétés de G. Quelques exemples d'application : pression osmotique, électrostriction. * Changements d'Etat d'une substance pure : Changements de phase (transitions de première espèce) ; propriétés caractéristiques ; formule de Clapeyron. Diagramme de phases en coordonnées p, T ; courbes d'équilibre, point triple. Transition liquide vapeur ; point critique ; comportement de la chaleur latente de vaporisation. Equilibre solide-liquide ; transformations allotropiques ; cristaux liquides. Transitions de seconde espèce ; un exemple la transition hélium fluide-hélium superfluide. * Systèmes hétérogènes sans réaction chimique : Fonctions de Gibbs et potentiels chimiques pour les systèmes à n constituants homogènes (une phase) puis hétérogènes (plusieurs phases). Conditions d'équilibre ; sens de l'évolution en cas de déséquilibre ; variance et règle des phases. Equilibre liquide-vapeur des systèmes binaires. Solution idéale ; loi de Raoult. Diagramme de phases du mélange ; séparation par distillation. Solutions réelles ; écart à la loi de Raoult ; azéotropie. Cas de deux liquides non miscibles. Indications qualitatives sur l'équilibre solide-liquide des systèmes binaires.
Compétences acquises
Méthodologiques :
A la fin de ce cours l'étudiant doit pouvoir adapter sa connaissance des principes généraux de la thermodynamique à des situations variées et à des systèmes tout à fait divers (systèmes diélectriques, magnétiques, lames minces et surfaces, etc...). Il doit maîtriser les mécanismes qui permettent de relier entre elles différentes grandeurs thermodynamiques d'un système. Il doit savoir choisir et utiliser les fonctions thermodynamiques appropriées.

Techniques :
Calculs approfondis en thermodynamique classique. Manipulations sur les fonctions à plusieurs variables et les dérivées partielles. Techniques expérimentales en thermodynamique classique : techniques du vide et mesures de pressions, mesures de températures, calorimétrie.
Parcours / Spécialité / Filière / Option utilisant cette UE
Date de la dernière mise-à-jour : 16/06/2017