Chapitre III : Notions de Base (Température, Chaleur et Travail)
I. Notion de température:
I.1. Principe zéro de la thermodynamique:
Le principe zéro de la thermodynamique énonce que si deux systèmes sont chacun en équilibre thermique avec un troisième système, alors ils sont en équilibre thermique entre eux. Ce principe établit la base pour la définition de la température.
I.2. Échelles de température:
Il existe plusieurs échelles de température utilisées pour mesurer et comparer la température des systèmes :
- Échelle Celsius (°C) : Basée sur le point de congélation (0°C) et d'ébullition (100°C) de l'eau à une pression atmosphérique standard.
- Échelle Kelvin (K) : Échelle absolue basée sur le zéro absolu, où 0 K est la température à laquelle les mouvements moléculaires cessent. La relation avec l'échelle Celsius est
- Échelle Fahrenheit (°F) : Principalement utilisée aux États-Unis, où le point de congélation de l'eau est 32°F et le point d'ébullition est 212°F. La relation avec l'échelle Celsius est
I.3. Thermomètre:
Un thermomètre est un instrument utilisé pour mesurer la température. Il existe plusieurs types de thermomètres, y compris :
- Thermomètres à mercure : Utilisent l'expansion thermique du mercure pour mesurer la température.
- Thermomètres à alcool : Utilisent l'expansion thermique de l'alcool, souvent utilisé dans des environnements très froids.
- Thermomètres électroniques : Utilisent des capteurs de température électroniques, tels que des thermocouples ou des thermistances.
II. Notion de chaleur:
II.1. Transfert de chaleur:
Le transfert de chaleur est le processus par lequel l'énergie thermique est échangée entre les systèmes ou les objets. Il existe trois modes principaux de transfert de chaleur :
- Conduction : Transfert de chaleur à travers un matériau sans mouvement de la matière.
- Convection : Transfert de chaleur par le mouvement de fluides (liquides ou gaz).
- Rayonnement : Transfert de chaleur par émission de rayonnement électromagnétique.
II.2. Chaleur spécifique:
La chaleur spécifique est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'une unité de masse d'une substance d'un degré Celsius (ou Kelvin). Elle est exprimée en joules par kilogramme par degré Celsius (J/kg·°C).
III. Application à la calorimétrie : Mesure des capacités thermiques
III.1. Méthode des mélanges:
La méthode des mélanges est utilisée pour mesurer la capacité thermique d'une substance en mélangeant une substance chaude avec une substance froide et en mesurant l'équilibre thermique atteint.
III.2. Méthode électrique:
La méthode électrique mesure la capacité thermique en fournissant une quantité connue d'énergie électrique à une substance et en mesurant l'augmentation de température résultante.
IV. Énergie interne d'un gaz parfait monoatomique:
L'énergie interne (U) d'un gaz parfait monoatomique dépend uniquement de la température. Elle est donnée par la relation : où n est le nombre de moles, R est la constante des gaz parfaits, et est la température en Kelvin.. Travail reçu par un système : travail d'une force de pression
V.1. Calcul du travail:
Le travail (W) effectué par une force de pression lors d'un changement de volume est donné par : W=−∫ViVf où P est la pression, et et sont les volumes initiales et finals.
V.2. Représentation graphique:
Le travail peut être représenté graphiquement comme l'aire sous la courbe dans un diagramme (pression-volume).
V.3. Cas particuliers:
- Transformation isotherme (T constante) : Pour un gaz parfait, W=−nRTln(ViVf).
- Transformation isobare (P constante) : W=−P(Vf−Vi).
- Transformation isochore (V constant) : Aucun travail n'est effectué car le volume ne change pas.
- Transformation adiabatique (Q = 0) : Pour un gaz parfait, , où γ est le rapport des capacités calorifiques (/Cv).
Conclusion:
Ce chapitre couvre les notions de base en thermodynamique, notamment la température, la chaleur et le travail. La compréhension de ces concepts est essentielle pour aborder les principes fondamentaux de la thermodynamique et leur application dans divers contextes scientifiques et industriels.