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Cours de thermodynamique
Aline Brunet-Bruneau
Maître de conférences de l’Université Paris 6
1 Température et chaleur
2 Travail
3 Quatre transformations de base, 1er principe de la thermo.
4 Chaleur, travail et énergie interne des gaz parfaits
5 Transformations réversibles, 2nd principe de la thermo.
6 Changement de phase des corps purs
7 Machines thermiques dithermes
Cours 1 : Température et chaleur
1.1 Notion de chaleur
1.2 Chaleur = grandeur physique
1.3 Chaleur = énergie
1.4 Signe de la chaleur et énergie interne
1.5 Chaleur latente et chaleur de combustion
1.1 Notion de chaleur
La chaleur Q est différente de la température T
Q est proportionnelleà la masse M
1.2 Chaleur Q = grandeur physique (donc mesurable)
Q est proportionnelleà T
Q est liée au corps Q = M C T
Exercice 1
Exercice 1
Calculer la quantité de chaleur Q nécessaire pour commencer à faire bouillir
1 L d’eau initialement à 10°C.
On donne la capacité calorifique massique de l’eau : C~1 kcal kg-1 K-1
et la masse volumique de l’eau ~1 Kg/dm3.
Expérience de Joule (1850)
1.3 Chaleur = énergie
Exercice 2
Exercice 2
Une bouilloire électrique a pour puissance P = 1 kW lorsqu’elle est alimentée par la prise secteur (tension efficace de 230 V).
On y place 1 L d’eau à 10° C. En combien de temps l’eau va bouillir ?
Q perdue par le morceau = - 3 kJ
Q reçue par l’eau = + 3kJ
1.4 Signe de la chaleur Q et énergie interne U
Le morceau perd U
Sa température chute à 0 K
Exercice 3
ConventionÉnergie perdue : signe –Énergie reçue : signe +
Exercice 3
Un ressort spiral est compressé (« remonté »). De cette manière il emmagasine une énergie de 8000 J. Ce ressort sert à entraîner les pales d’une hélice qui remue 1 L d’eau liquide.
Quel va être l’échauffement (augmentation de température) de l’eau après détente totale du ressort ?
QL = Mglace . Lfusion
1.5 Chaleur latente QL et chaleur de combustion QC
Exercice 4
Lf chaleur latente (massique) de fusion
- il faut 2256 kJ pour vaporiser 1 kg d’eau déjà à 100 °C (Lv = 2256 kJ/kg)
- il faut 418 kJ pour élever de 0 à 100 °C 1 kg d’eau (Ceau = 4,180 kJ/kg/K)
Lv chaleur latente (massique) de vaporisation
La chaleur nécessaire pour un changement de phase est très élevée :
Lcomb chaleur (massique) de combustion
ou pouvoir calorifique
QC = Messence . Lcombustion
Exercice 4On possède Mess~260 g d’essence que l’on brûle pour échauffer M = 4 kg de glace initialement à -20°C sous la pression atmosphérique :
Quelle est la température finale de la vapeur obtenue ?
Données : Chaleur latente de fusion de la glace : LF = 352 kJ/kgChaleur latente de vaporisation de l’eau : Lv = 2256 kJ/kgCapacité calorifique massique de la glace : Cglace = 2000 J/kg/KCapacité calorifique massique de l’eau : Ceau = 4186 J/kg/KCapacité calorifique massique de la vapeur d’eau : Cvapeur = 2020 J/Kg/KPouvoir calorifique de l’essence : Less = 48.103 kJ/kg
Correction de l’Exercice 4
Chaleur de combustion Qc dégagée par l’essence :
0,26 . 48.103 = 12,5.103 kJ cessc LMQ
Chaleur Q nécessaire pour échauffer M=4kg d’eau de -20°C à Tvap :
Q = Q (de -20 à 0°C) + QF(sol-liq 0°C) + Q(de 0 à 100°C)
+ QV(liq-vap 100°C) + Q(de 100 à Tvapeur)
Q = MCgl T20 + MLF + MCeauT100
+ MLv + MCvapT (Tvap -100)
Température finale Tvap : Q = Qc
cvap
VFeauglcvap CM
LLTCTCMQCT
10020100
Correction de l’Exercice 4
Température finale Tvap :
A.N. T = 126°C
cvap
VFeauglcvap CM
LLTCTCMQCT
10020100
26
02,24
225635210019,4202412480100
c
vap CT
Exercice 5
Une enceinte de 22,4 dm3 de gaz à 25°C possède une énergie interne U = 3/2 RT
avec R = 8,32 U.S.I et T sa température (en kelvin).
Est-il possible, à l’aide de ce gaz, de fournir 5000 J à un corps solide plongé dans l’enceinte? Si oui, de quelle manière ?
Exercice 6On possède M ~ 1 kg de glace dans une enceinte calorifugée fermée par un couvercle coulissant. Cette glace est à -10°C.
1. Quelle est la chaleur totale Qtot à apporter pour changer cette glace en de l’eau à 20°C?
2. On veut obtenir de la vapeur à 150 °C sous la pression atmosphérique (1 bar), quelle chaleur supplémentaire doit-on fournir ?
3. Combien de temps cela prendrait-il pour réaliser les 2 transformations précédentes si l’on disposait d’un dispositif de chauffage de 1 kW de puissance ? Combien de temps aurait pris la simple transformation réalisée en 1 ?
LF = 352 kJ/kg , Lv = 2256 kJ/kgCeau = 4,18 kJ/kg/K ~ Cglace ~ Cvapeur