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 : changement d’état d’un corps pur, diagramme binaire, moteur de Stirling, mesures du gamma et du coefficient de Joule-Thomson des gaz.
Introduction : Historique ; définitions des outils de base : système thermodynamique ; énergie totale d’un système et énergie interne ; système isolé ; équilibre thermodynamique
Postulat fondamental : variables d’état primitives ; entropie ; approches complémentaires de la thermodynamique classique (macroscopique) et de la physique statistique (microscopique) ; postulat fondamental ; entropie ; grandeurs conjuguées.
Variables d’état, équations d’état : variables d’état ; fonctions d’état ; différentielles ; relations de Maxwell ; coefficients thermoélastique ; modèle du gaz parfait ; gaz réels ; gaz de Van der Walls ; équation du Viriel ; théorie cinétique des gaz parfaits.
Travail et chaleur : transformation thermodynamique ; premier principe ; équilibre mécanique, thermique, chimique ; principe zéro ; thermostat et réservoir ; transformation quasi-statique, réversible, irréversible ; travail échangé. Exemples : effet Joule, induction magnétique, effet Marangoni. Coefficients calorimétriques ; chaleur latente ; rapport gamma ; cas particulier du gaz parfait ; loi de Laplace ; détente de Joule-Gay Lussac ; première loi de Joule.
Systèmes ouverts : bilan d’énergie ; enthalpie ; détente de Joule-Thomson ; deuxième loi de Joule ; détente avec forte accélération ; effet Venturi.
Deuxième principe : nécessité d’un principe d’évolution ; lien entre variation d’entropie et irréversibilité ; égalité et inégalité de Clausius ; exemples d’irréversibilités : frottements ; déséquilibre de pression ; déséquilibre thermique ; déséquilibre chimique. Exemple de l’entropie de mélange. Pressions partielles. Troisième principe.
Machines thermiques : Transformation cyclique ; moteur ; récepteur ; cycle monotherme ; cycle ditherme : bilan énergétique, rendement d’un moteur, cycle de Carnot, moteur de Stirling, rendement d’un réfrigérateur, d’une pompe à chaleur ; énergie primaire ; énergie finale ; énergie utile ; exemples de pertes d’énergie.
Fonctions thermodynamique : Choix d’une fonction thermodynamique adaptée aux variables du problème ; transformation de Legendre ; fonctions de Gibbs, de Helmholtz et grand potentiel ; exemple de l’électrostriction.
Conditions d’équilibre des systèmes : Potentiels thermodynamique ; système isolé ; transformation monotherme ; transformation monotherme et monobare.
Changement d’état d’une substance pure : transition du premier ordre ; formule de Clapeyron ; diagrammes de phases ; étude détaillée de la transition liquide-vapeur (point critique, chaleur latente, formule de Dupré) ; équilibre solide-liquide ; surfusion ; transformations allotropiques ; cristaux liquides ; changement d’état d’ordre 2 ; exemple : condensation de Bose-Einstein.
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. 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. Démixtion.
Transferts thermiques : 3 modes de transfert de la chaleur ; loi de Fourier ; équation de la chaleur ; autres phénomènes de diffusion ; résistance thermique, associations de résistances ; loi de Newton.
