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Le second principe de la thermodynamique

Le second principe de la thermodynamique. 1. Nécessité du second principe de la thermodynamique. Premier principe : D U = W + Q. Premier principe : D U = W + Q. Principe de conservation de l’énergie . Premier principe : D U = W + Q. Principe de conservation de l’énergie .

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Le second principe de la thermodynamique

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Presentation Transcript

  1. Le second principe de la thermodynamique

  2. 1. Nécessité du second principe de la thermodynamique.

  3. Premier principe : DU = W + Q

  4. Premier principe : DU = W + Q Principe de conservation de l’énergie .

  5. Premier principe : DU = W + Q Principe de conservation de l’énergie . Ne fixe pas le sens des échanges d’énergie.

  6. Mélange de 100 g d’eau à 10 °C et de 100 g d’eau à 50 °C dans un calorimètre. Température finale : TF = 30 °C Q1 = m1.c.DT1 = 0,1*4185*(30-10) = + 9370 J Q2 = m2.c.DT2 = 0,1*4185*(30-50) = -9370 J DU = Q1 +Q2 = 0

  7. On peut imaginer que les 100 g d’eau à 10 °C passent à 0 °C et les 100 g à 50 °C passent à 60 °C. Q1 = m1.c.DT1 = 0,1*4185*(0-10) = - 4185 J Q2 = m2.c.DT2 = 0,1*4185*(60-50) = +4185 J DU = Q1 +Q2 = 0

  8. Les deux hypothèses vérifient le premier principe.

  9. Lors d’un feu

  10. Lors d’un feu Système : environnement + combustible + comburant Combustible + comburant : DUc = QC + WC Environnement : DUe = m.cP.DT + We DU = DUC + DUe

  11. Lors d’un feu Système : environnement + combustible + comburant Combustible + comburant : DUc = QC + WC Environnement : DUe = m.cP.DT + We DU = DUC + DUe = 0 < 0 : exothermique > 0 car T augmente

  12. On peut envisager la transformation inverse : Obtenir du combustible à partir des cendres et des gaz de combustion

  13. Système : environnement + combustible + comburant Combustible + comburant : DUc = QC + WC Environnement : DUe = m.cP.DT + We DU = DUC + DUe

  14. Lors d’un feu Système : environnement + combustible + comburant Combustible + comburant : DUc = QC + WC Environnement : DUe = m.cP.DT + We DU = DUC + DUe = 0 > 0 : endothermique < 0 car T diminue

  15. Les deux phénomènes sont équivalents du point de vue énergétique.

  16. Il faut donc compléter le premier principe pour pouvoir rendre compte du sens des transformations (fixer le sens de la « flèche du temps »).

  17. 2. Le second principe de la thermodynamique et la fonction entropie.

  18. 2.1. Énoncé. À tout système fermé est associée la fonction d’état entropie S dont les variations sont données par :

  19. Fonction définie par Clausius (1865). Je préfère emprunter aux langues anciennes les noms des quantités scientifiques importantes, afin qu'ils puissent rester les mêmes dans toutes les langues vivantes; je proposerai donc d'appeler la quantité S l'entropie du corps, d'après le mot grec η τροπη une transformation. C'est à dessein que j'ai formé ce mot entropie, de manière qu'il se rapproche autant que possible du mot énergie; car ces deux quantités ont une telle analogie dans leur signification physique qu'une analogie de dénomination m'a paru utile.

  20. dQ : chaleur reçue par le système. Te : température de la source de chaleur. diS, DiS : termes positifs ou nuls.

  21. 2.2. Commentaires et propriétés.

  22. Joule

  23. kelvin

  24. L’entropie est en joules par kelvin (J.K-1).

  25. Cas d’un système isolé : dQ = 0 : pas de chaleur reçue de l’extérieur. dS = diS

  26. Cas d’un système isolé : dQ = 0 : pas de chaleur reçue de l’extérieur. dS = diS diS est positive

  27. Cas d’un système isolé : dQ = 0 : pas de chaleur reçue de l’extérieur. dS = diS diS est positive

  28. Cas d’un système isolé : dQ = 0 : pas de chaleur reçue de l’extérieur. dS = diS diS est positive L’entropie d’un système isolé ne peut qu’augmenter.

  29. Pour l’Univers : L’entropie de l’Univers ne peut qu’augmenter.

  30. Prévision des évolutions d’un système : Les seules transformations possibles sont celles qui font augmenter l’entropie de l’Univers.

  31. Prévision des évolutions d’un système : Les seules transformations possibles sont celles qui font augmenter l’entropie de l’Univers. Un système cesse d’évoluer (équilibre) quand l’entropie de l’Univers n’augmente plus : dS = 0

  32. Transformation réversible : Une transformation réversible est une transformation infiniment lente renversable à chaque instant. On a alors : diS = 0 Donc :

  33. On sait donc calculer la variation d’entropie dans le cas d’une transformation réversible.

  34. S est une fonction d’état. S est extensive : DSA+B = DSA + DSB

  35. 2.3. Signification physique de l’entropie.

  36. Entropie = mesure du désordre

  37. Entropie = mesure du désordre Une transformation quelconque ne peut qu’augmenter le désordre de l’Univers.

  38. Interprétation statistique de l’entropie :

  39. Interprétation statistique de l’entropie : S = kB.lnW

  40. kB = constante de Boltzmann = 1,38.10-23 J.K-1 W = nombre d’états accessibles

  41. 2.4. Principe de détermination de l’entropie. Identité thermodynamique.

  42. Comment calculer DS ? Etat initial (Pi,Vi,Ti) Etat final (Pf,Vf,Tf)

  43. Comment calculer DS ? Etat initial (Pi,Vi,Ti) Nous ne savons pas calculer ce terme ! Etat final (Pf,Vf,Tf)

  44. Mais S est une fonction d’état !

  45. Comment calculer DS ? Etat initial (Pi,Vi,Ti) Transformation réversible fictive Etat final (Pf,Vf,Tf)

  46. Utilisation de l’identité thermodynamique.

  47. 3. Etude du contact thermique entre deux corps.

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