Programme de l'UE de thermodynamique et transferts thermiques
I. Introduction à la thermodynamique
- Introduction générale - Historique - Où intervient la thermodynamique?
- Pression (définition, origine microscopique)
- équation de l’équilibre d’un fluide dans le champ de pesanteur (loi fondamentale de l’hydrostatique)
- notion de température, zéro absolu et température absolue
- un système modèle : le gaz parfait
- Energie d’un système, échange d’énergie, équilibre thermodynamique et principe zéro de la thermodynamique
- Classement des grandeurs physiques et terminologie (grandeurs extensives, intensives, systèmes ouvert, fermé, isolé, thermostat ou réservoir thermique, fonction d’état, équation d’état, différentes transformations thermodynamiques).
II. Description des gaz
- Modèle du gaz parfait (GP)
- Energie cinétique du gaz parfait (vitesse quadratique moyenne, énergie cinétique moyenne, relation Energie cinétique-température, théorème d’équipartition de l’énergie)
- Mélange de gaz parfaits (expérience de Berthollet, pression partielle, fraction molaire, fraction massique)
- Le gaz réel (équation d’état de Van der Waals (description phénoménologique)
III. Travail, chaleur et premier principe
- Le travail (notion d’échange d’énergie mécanique, W dépend du chemin suivi au cours de la transformation, cas d’une transformation réversible, interprétation dans le diagramme de Clapeyron: P=f(V), cas particuliers (adiabatique, isochore, isobare, isotherme d’un GP)
- Le transfert d'énergie thermique ou "chaleur" (notion d’échange d’énergie thermique, Q dépend du chemin suivi au cours de la transformation, cas particuliers (isochore, isobare, isotherme d’un GP)
- 1er principe de la thermodynamique, la fonction d’état énergie interne U (La variation d'énergie interne est indépendante du chemin suivi))
- Propriétés thermiques de la matière (chaleur spécifique ou capacité calorifique)
- Liquides et solides
- Gaz, gaz parfaits (relations de Mayer)
- Transformations à pression constante : l’enthalpie H, une nouvelle fonction d’état
- Enthalpie de changement d’état
- Transformations pour des gaz parfaits (isothermes, isochores, isobares, adiabatiques (loi de Laplace)
IV. Bilans d’énergie dans les systèmes ouverts
- Notions de bilans
- Débits massiques, volumiques
- Principe de conservation de la masse
- Bilan d’énergie d’un système ouvert
- Système avec écoulement en régime permanent
- Energies échangées au travers de la frontière du système (hors conduits)
- Exemples de systèmes ouverts
V. Les transferts thermiques
- Modes de transmission de la chaleur
- Conduction thermique. Loi de Fourier.
- Conductivité thermique
- Résistance thermique. Coefficient de transfert thermique
- Analogie électrique
- Association en série, association en parallèle
- Convection : loi de Newton
VI. Phénomènes irréversibles : second principe de la thermodynamique et entropie
- Phénomènes irréversibles - Entropie - Approche statistique - Phénomènes plus ou moins probables
- 2e loi de la thermodynamique classique
- Grandeur entropie : fonction d’état
- Inégalité de Clausius
- Cas d’une transformation réversible
- Calculs de variation d’entropie : méthodologie
- Exemple : détente de Joule Gay-Lussac (transformation irréversible)
- Cas des GP pour différentes transformations réversibles
- Expérience de Berthollet
- Représentation graphique : diagramme T=f(S): représentation de la chaleur échangée au cours d’une transformation réversible
- Croissance de l’entropie et évolution de l’univers
- L’entropie peut localement diminuer
VII. Les machines thermiques
- Généralités sur les machines thermiques (réservoirs d’énergie thermique et d’énergie mécanique)
- Machines thermiques : définition
- 2e principe et machines thermiques (énoncé de Kelvin, énoncé de Clausius)
- Proposition de Carnot : machines dithermes
- Cycle de Carnot
- Efficacité d’une machine thermique
- Exemples de machines thermiques
- cycles moteurs : centrale électrique, turbine à gaz (cycle de Brayton), moteur à combustion interne, cycle de Diesel
- cycles frigorifiques: réfrigérateurs, pompes à chaleur
