Thermodynamique

Abstract

Le présent polycopié de cours est destiné aux étudiants en sciences techniques (ST), sciences de la matière (SM), Hydraulique, Mines…( 1re année LMD ST et SM). Il s'adresse aussi aux étudiants qui reçoivent un enseignement général de chimie de différentes spécialités confondues. Il porte essentiellement sur les notions fondamentales de la thermodynamique : Bases élémentaires de calcul différentiel, notion de pression et de température, loi des gaz parfait, calcul d’un travail mécanique. Ce polycopié de cours traité les principaux outils mathématiques pour la thermodynamique et les propriétés fondamentales des fonctions d’état. Ce polycopié de cours décrit les bases de la thermodynamique et étudie les transformations des systèmes : les systèmes ouverts ou fermés; les systèmes isolés ou non. Ces systèmes sont représentés par des variables d'état, intensives ou extensives. Ce polycopié de cours donne des définitions et des concepts de bases telles que la thermométrie, la calorimétrie et changements d'état. Les notions précédentes permettent d'observer ce qu'il se passe pour les gaz dont le comportement est simplifié à l'extrême: les gaz parfaits et établir l’équation des gaz parfaits et Les lois fondamentales relatives aux gaz parfait. L'étude thermodynamique des corps comprend notamment la conception et la validation de modèles du comportement thermique des corps, les équations d'état, établies. En pratique, les équilibres prédits par la thermodynamique servent d’introduction au principe zéro de la thermodynamique en appelle à la notion d'équilibre thermique. Comme la thermodynamique dans son sens restreint étudie les interactions chaleur-mouvement, il est nécessaire d'aborder la première notion essentielle: la chaleur d’où les transferts thermiques. Dans ce polycopie de cours, il s’agit, d'adapter la notion fondamentale de thermodynamique: le travail, et remarquer l'utilité d'un diagramme P-V pour calculer le travail échangé lors d'une transformation thermodynamique dû aux seules forces extérieures de pression. Une fois que la chaleur et le travail ont bien été définis, on peut aborder le premier principe de la thermodynamique qui nous explique les échanges d'énergie thermique -la chaleur- et mécanique - le travail. Avant tout, on s'aperçoit que les transformations les plus compliquées peuvent essentiellement se décomposer en une succession de transformations de base: la transformation adiabatique, la transformation isobare, la transformation isochore et la transformation isotherme. Les notions des cours précédents nous ont permis de nous familiariser avec les notions de travail, chaleur, énergie interne et gaz parfait et par conséquent à l’introduction aux cycles thermodynamiques et le fonctionnement des machines thermiques en nous expliquant que tout n'est pas possible en termes d'échange d'énergies. Ces notions permettra d'aborder le second principe de la thermodynamique, aussi connu sous le nom de «principe de Carnot » qui traite l'évolution des systèmes, en introduit la notion essentielle d'entropie ce second principe établi que toute transformation d'un système s'accompagne d'une augmentation de l'entropie globale: système plus milieu extérieur. La chimie se pose également la question des mouvements de chaleur. En effet, le plus souvent, les réactions chimiques sont le siège d'échanges de chaleur : des chaleurs de combustion, de dissolution ou de changement d’états ou d'autres formes d'énergie. Ainsi, la thermodynamique chimique s'intéresse à l'évolution des réactions chimiques. La thermochimie est l'application des principes de la thermodynamique classique aux réactions chimiques. Dans ce polycopié de cours on aborde l’étude de l'échange d'énergie entre le système et le milieu extérieur : Application du premier principe et la prévision du sen de l’évolution des réactions chimiques : Application du deuxième principe. La thermodynamique repose aussi sur le le troisième principe de la thermodynamique, appelé aussi principe de Nernst, qui permet d'avoir une valeur déterminée de l'entropie et non pas à une constante additive près. Après avoir bien compris les propriétés des principales fonctions thermodynamiques et leurs applications aux corps purs, on peut envisager l’application de ces fonctions aux réactions chimiques. On peut relier la variation de l’énergie libre et les concentrations des réactifs et des produits dans un mélange en réaction et les lois qui gouvernent les réactions et en particulier les équilibres chimiques. Exprimer une constante d’équilibre chimique. Les changements de pression, température, de concentration des réactifs ou des produits ont une influence sur l’équilibre d’une réaction. Déterminer la composition d’un mélange réactionnel à l’équilibre. Prévoir les déplacements d’équilibre. Connaître la règle de la variance. Déterminer un taux d’avancement final à partir de données sur la composition de l’état final et le relier au caractère total ou non total de la transformation.