Cours de Thermodynamique en Ligne par les Meilleurs Professeurs - Thermodynamique

Force de pression

Aujourd'hui, nous allons étudier les forces de pression et calculer le travail qu'elles effectuent dans le cas d'une transformation spécifique. Le travail des forces de pression extérieures lors d'une transformation est donné par la formule ΔW = -Pext × dv. Dans notre cas, nous devons calculer le travail total lors d'une transformation quasi statique et isotherme, ce qui signifie que nous sommes constamment à l'équilibre et à une température constante. Nous étudions également un gaz parfait, avec la relation PV = NRT, où δ est le volume. Pour calculer le travail élémentaire, nous utilisons le fait que la pression extérieure est égale à la pression intérieure, et donc P = NRT/V. En intégrant la formule du travail élémentaire entre les points A et B, nous obtenons que le travail total est égal à -NRT × ln(VB/VA). Si VA est plus petit que VB, le travail est positif, ce qui signifie que le gaz se dilate. Si VB est plus petit que VA, le travail est négatif, ce qui correspond à une compression du gaz. Ces calculs élémentaires sont indispensables pour comprendre des sujets plus complexes en thermodynamique.

Transfert thermique

Dans cette vidéo, nous abordons le sujet du transfert thermique. Le transfert thermique consiste en un échange d'énergie sous forme de chaleur. La chaleur est une forme d'énergie liée à la thermodynamique. Il existe trois modes de transfert thermique. Le premier est la conduction, qui se produit lorsque la chaleur se propage à travers un matériau conducteur, principalement les métaux. Cela est dû à l'agitation des molécules qui entraine des collisions et augmente la température. Le deuxième mode est la convection, qui se produit lorsque l'on chauffe un fluide tel que l'air ou l'eau. Lorsque le fluide est chauffé, il se dilate et monte, créant ainsi des mouvements de convection. Cela explique, par exemple, le fonctionnement des radiateurs qui réchauffent l'air environnant. Le dernier mode de transfert thermique est le rayonnement. Il s'agit de l'énergie transportée par des ondes électromagnétiques, notamment lorsqu'on observe la couleur d'un feu. Le rayonnement thermique est responsable de la sensation de chaleur que l'on ressent en se tenant près du feu. Enfin, nous définissons la transformation adiabatique, qui est une transformation au cours de laquelle il n'y a pas d'échange de chaleur avec le milieu extérieur. Cela signifie que la quantité de chaleur échangée est égale à zéro. Il est crucial de bien comprendre ces termes car ils sont souvent utilisés dans le domaine de la thermodynamique. Ces concepts seront abordés en détail dans les programmes scolaires. Merci d'avoir suivi ce cours et à bientôt pour une prochaine vidéo.

Enthalpie

Aujourd'hui, nous abordons le sujet de l'enthalpie en thermodynamique. L'enthalpie est définie comme la formule CH = U + PV, où U est l'énergie interne, P la pression et V le volume du système. Il est également important de connaître les capacités thermiques à pression constante et à volume constant. Dans la loi Joule, DH = CP dT permet de lier l'augmentation de température à la variation d'enthalpie. Pour un gaz parfait monoatomique, CP = 5,5 de Nr, tandis que pour un gaz parfait diatomique, CP = 7,5 de Nr. La relation de Meyer indique que CP - CV = Nr. Dans le cas d'une phase condensée, il n'y a pas de différence entre CP et CV, et dH = dU = CP dT = CV dT. Cela est vrai pour un corps parfait indilatable (dont le volume ne change pas avec la température) et incompressible (dont le volume ne change pas avec la pression). Il est important de noter ces définitions pour les exercices ultérieurs.

Premier principe

Aujourd'hui, nous allons aborder le premier principe de la thermodynamique dans un système fermé. Le premier principe s'applique à un système isolé, c'est-à-dire sans échange avec l'extérieur. Il est essentiel de définir clairement ce système, tout comme dans le principe fondamental de la dynamique. L'expression du premier principe est "du plus de macro est égale à delta w plus delta q". Cela signifie que la variation d'énergie interne (du) est égale au travail des forces (delta w) et au transfert de chaleur (delta q). L'énergie macroscopique regroupe les autres formes d'énergie non-thermodynamique, telles que l'énergie potentielle et l'énergie cinétique. Il est important de noter que certaines grandeurs sont notées avec des "d" et d'autres avec des "delta". Les "d" représentent des variations infinitésimales qui, une fois intégrées, donnent des variations plus importantes (deltas). Par exemple, le travail (w) et la chaleur (q) intégrés entre deux points spécifiques donnent respectivement "w" et "q". En revanche, les grandeurs notées avec des "delta" dépendent du chemin thermodynamique suivi. Il est donc crucial de faire la distinction entre ces deux notations. L'énergie interne (u) est une quantité d'état, elle ne dépend pas du chemin suivi et est additive. J'espère que vous avez trouvé ce rappel du premier principe utile. N'hésitez pas à poser vos questions dans les commentaires.

Capacité thermique

Aujourd'hui, nous abordons le sujet de la capacité thermique. L'exercice consiste à exprimer les valeurs CP et CV en fonction de gamma et R. Il est essentiel de connaître cette démonstration, car lors des concours, il est nécessaire de retenir de nombreuses formules. Il est préférable de mémoriser les formules de base et de redémontrer les expressions importantes. Nous avons déjà abordé ce sujet lors de précédentes vidéos concernant l'enthalpie. La relation principale à connaître est la suivante : CP = CV + NR, où NR représente la différence entre CP et CV. Une autre définition importante est celle du coefficient adiabatique, généralement noté gamma. Pour l'air, gamma est égal à 1,4 et CP est égal à gamma multiplié par CV. En utilisant la relation précédente, on peut également exprimer CV comme NR / (gamma - 1) et CP comme NR * gamma / (gamma - 1). En thermodynamique, les grandeurs CV et CP représentent la capacité totale d'un système. Cependant, on utilise souvent les capacités molaires, notées avec un indice "M", qui représentent la capacité par mole. Pour passer des capacités totales aux capacités molaires, il suffit de diviser par le nombre de moles, ce qui donne CVM = R / (gamma - 1) et CPM = R * gamma / (gamma - 1). Dans le cadre des systèmes industriels, on considère souvent les capacités massiques, notées en minuscule. Ainsi, petit CV est égal à R / (M * (gamma - 1)) et petit CP est égal à R * gamma / (M * (gamma - 1)). N'hésitez pas à refaire cette démonstration, même si vous avez l'impression de vous en souvenir, car il est facile de mélanger les formules. Il est préférable de toujours se référer à la définition du coefficient adiabatique et aux relations de Maillard.

Chaleur massique

Dans ce cours sur la chaleur massique, nous sommes présentés avec un exercice où nous devons calculer la température d'équilibre thermique après avoir mélangé 85 grammes d'eau à 170 grammes d'eau chauffée à 47 degrés. On nous dit de ne pas tenir compte de la capacité thermique des instruments. Nous utilisons la formule ΔH = Q pour résoudre le problème, où ΔH est la variation d'enthalpie et Q est le transfert thermique. Nous construisons un tableau pour noter les états initiaux et finaux des deux systèmes d'eau. En utilisant la formule d'enthalpie, nous trouvons que la température d'équilibre est de 37 degrés Celsius. Cependant, lorsque nous mesurons expérimentalement la température, nous trouvons qu'elle est de 35 degrés Celsius, suggérant que quelque chose a été omis dans notre modèle. Nous tenons alors compte de la capacité thermique des instruments et utilisons la valeur de l'eau du calorimètre pour calculer la température d'équilibre expérimentale. Ensuite, nous appliquons cette méthode pour déterminer la capacité thermique d'un métal en utilisant les mesures expérimentales de température. Cette approche expérimentale est souvent utilisée pour obtenir des données inconnues. Il est important de noter que la manière dont nous avons résolu cet exercice peut également s'appliquer à d'autres problèmes de capacité thermique.

Formule 1

Dans cet exercice, nous étudions les capacités des pneus de Formule 1 en déterminant l'élévation maximale de température des freins. En considérant une voiture avec une masse donnée roulant à une vitesse de 300 km/h et freinant avec des freins en carbone, nous devons comparer nos résultats avec des mesures expérimentales qui indiquent une température maximale possible de 1000 degrés. En utilisant des approximations, nous pouvons dire que toute l'énergie cinétique de la voiture est convertie en énergie thermique absorbée par les freins. Cependant, il y a aussi des pertes d'énergie dues aux frottements et aux transmissions de matériaux. En effectuant les calculs, nous obtenons une élévation de température de 992 degrés, ce qui est proche de l'ordre de grandeur indiqué. Il est important de faire attention aux conversions lors des calculs numériques, notamment pour les unités de mesure (ici, kilomètres par heure et kelvin). En réalité, une partie de l'énergie cinétique est déjà dissipée par les frottements, donc notre estimation est légèrement surestimée. Cependant, il est courant d'adopter le scénario le plus défavorable pour concevoir les matériaux qui résisteront à des températures élevées. En surestimant l'élévation de température, on s'assure que les matériaux seront capables de résister à des conditions moins extrêmes. Cette approche est fréquemment utilisée par les ingénieurs. J'espère que cette explication vous a été utile ! À bientôt pour une autre vidéo sur la thermo.