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Questions de cours et exercices : Machines thermiques

• Étude générale
• Principe et représentation d'une machine thermique
• Diagramme de Watt (P-V)
• Bilan énergétique
• Bilan entropique - Inégalité de Clausius
• Machine monotherme
• Efficacité, rendement
• Cogénération
• Machines dithermes usuelles
• Moteur ditherme
• Réfrigérateur
• Pompe à chaleur
• Théorème de Carnot
• Cycle de Carnot
• Exemple de moteur à combustion

Questions de cours seulement : Le champ magnétique

• Le champ magnétique
• Notion de champ : champ scalaire et champ vectoriel
• Champ stationnaire, champ uniforme
• Sources du champ magnétique : aimants et courants électriques
• Cartes de champ magnétique : cartographie magnétique
• Ligne de champ ; orientation
• Cartes de champ ; visualisation (limaille de fer, boussoles)
• Propriétés générales des lignes de champ
• Champ magnétique créé par un aimant
• Allure de quelques cartes de champ : aimant droit, aimant en U
• Champ magnétique terrestre : la boussole
• Modèle de l'aimant terrestre ; déclinaison et inversions
• Champ magnétique créé par des courants électriques dans un circuit
• Quelques propriétés : lignes fermées, règle de la main droite
• Allure de cartes de champ usuelles : fil rectiligne infini, spire de courant, bobine longue (solénoïde)
• Réaliser un champ quasi uniforme : entrefer, solénoïde, bobines de Helmholtz
• Modèle du solénoïde infini : $\vec{B} = \mu_0 n I \vec{u}_z$
• Moment magnétique
• Moment magnétique d'une spire : vecteur surface, moment magnétique $\vec{m} = i \vec{S}$
• Moment magnétique d'une bobine
• Moment magnétique d'un aimant ; ordres de grandeur

Questions de cours seulement : Statique des fluides

• La particule de fluide
• Concept de particule de fluide : définition et propriétés
• Forces surfaciques et forces volumiques : définition, exemples
• Densité volumique de force de pesanteur
• Résultante des forces de pression en 1D et 3D
• Équation locale de la statique des fluides

Questions de cours

Machines thermiques

1. Qu'est-ce qu'une machine thermique ? Donner une représentation schématique en précisant les différents transferts énergétiques (travail et chaleurs).
2. Qu'est-ce qu'un diagramme de Watt ? Comment se représente un cycle thermique dans le diagramme (P,V) ? Quelle est l'interprétation graphique du travail net ?
3. Établir le bilan énergétique pour une machine thermique sur un cycle complet.
4. Énoncer l'inégalité de Clausius pour une machine thermique. Que devient-elle pour une machine réversible ?
5. Définir le rendement (ou l'efficacité) d'une machine thermique. Quelle est la différence entre rendement et efficacité ?
6. Qu'est-ce qu'une machine monotherme ? Peut-elle fonctionner comme moteur ? Justifier par le deuxième principe.
7. Décrire les trois types de machines dithermes (moteur, réfrigérateur, pompe à chaleur). Définir leurs rendements ou efficacités respectifs.
8. Énoncer le théorème de Carnot. Qu'est-ce qu'un cycle de Carnot ? Quel est son intérêt ?

Magnétisme et Induction

9. Définir la notion de champ. Quelle est la différence entre un champ scalaire et un champ vectoriel ? Donner un exemple de chacun en magnétisme.
10. Qu'est-ce qu'une ligne de champ magnétique ? Comment s'oriente-t-elle ? Quelles sont les propriétés générales des lignes de champ magnétique ?
11. Quelles sont les deux sources principales du champ magnétique ? Comment visualise-t-on les lignes de champ magnétique expérimentalement ?
12. Décrire l'allure du champ magnétique créé par un aimant droit et par un aimant en U. Où se situe le champ le plus intense ?
13. Décrire le champ magnétique créé par un fil rectiligne infini parcouru par un courant. Énoncer la règle de la main droite pour déterminer l'orientation du champ.
14. Décrire le champ magnétique créé par une spire de courant et par un solénoïde long. Comment s'orientent les lignes de champ ? Donner l'expression du champ à l'intérieur d'un solénoïde infini.
15. Définir le moment magnétique d'une spire et d'une bobine. Que représente le vecteur surface d'une spire ? Comment s'exprime le moment magnétique ?
16. Comment peut-on réaliser un champ magnétique quasi uniforme ? Citer au moins trois méthodes (entrefer, solénoïde, bobines de Helmholtz).

Statique des fluides

17. Qu'appelle-t-on une particule de fluide ? Quelles sont ses principales propriétés ?
18. Quels sont les deux grands types de forces s'exerçant sur un fluide ? Donner la définition et des exemples de chacun.
19. Établir l'expression de la densité volumique de force de pesanteur exercée sur un fluide.
20. Comment exprime-t-on la résultante des forces de pression sur un volume de fluide en 1D et en 3D ?
21. Énoncer l'équation locale de la statique des fluides.
22. Établir l'équation locale de la statique des fluides à partir du principe fondamental de la dynamique appliqué à une particule de fluide au repos.
23. Dans le cas où la seule force volumique est le poids, quelle forme prend l'équation locale de la statique des fluides ?
24. Comment l'équation locale de la statique des fluides se simplifie-t-elle lorsque l'axe vertical est orienté vers le haut ?

Questions de cours et exercices : Deuxième principe de la thermodynamique

• Évolutions irréversibles
• Exemples d'évolutions irréversibles : diffusion, conduction thermique, frottement, inélasticité
• Causes d'irréversibilité : déséquilibre mécanique, thermique, de diffusion
• Suppression de l'irréversibilité : conditions pour rendre une transformation réversible
• Deuxième principe de la thermodynamique
• Énoncé du deuxième principe en termes d'entropie
• Entropie : fonction d'état extensive, propriétés
• Décomposition : $\Delta S = S_{\text{éch}} + S_{\text{créée}}$
• Entropie échangée : $S_{\text{éch}} = \int \frac{\delta Q}{T_S}$
• Condition d'irréversibilité : $S_{\text{créée}} \geq 0$
• Conséquences : réversibilité, irréversibilité, équilibre
• Sens des transferts thermiques : spontanéité du transfert du chaud vers le froid
• Interprétation statistique : entropie et désordre microscopique (formule de Boltzmann)
• Entropie des gaz parfaits
• Expressions générales de la variation d'entropie (à fournir ou guider)
• Variations d'entropie pour différentes transformations (isotherme, isobare, isochore, adiabatique)
• Lois de Laplace et entropie des gaz parfaits en transformation adiabatique réversible
• Autres calculs entropiques
• Phases condensées : entropie et changements d'état
• Systèmes diphasés
• Enthalpie de changement d'état et variation d'entropie associée : $\Delta_{I \to II} s(T) = \frac{\Delta_{I \to II} h(T)}{T}$
• Retour sur les exemples
• Contact avec un thermostat : calcul d'entropie créée (cas isochore et isobare)
• Détente de Joule-Gay Lussac : analyse entropique
• Compression monotherme d'un gaz parfait : bilan énergétique et entropique
• Conditions de réversibilité : entropie créée nulle

Questions de cours et exercices - Deuxième principe de la thermodynamique

1. Donner des exemples d'évolutions irréversibles dans la nature. Quelles sont les trois principales causes d'irréversibilité (déséquilibres) ? Comment pourrait-on rendre une transformation quasi-réversible ?
2. Énoncer le deuxième principe de la thermodynamique en termes d'entropie. Quelles sont les propriétés de l'entropie (nature, extensivité, additivité) ?
3. Énoncer la décomposition de la variation d'entropie : $\Delta S = S_{\text{éch}} + S_{\text{créée}}$. Définir chacun des deux termes. Que signifient les signes de ces termes ?
4. Qu'est-ce que l'entropie échangée ? Comment se calcule-t-elle ? Pourquoi la surface du système doit-elle être à la température $T_S$ ?
5. Qu'est-ce que l'entropie créée ? Quelle est la condition sur l'entropie créée pour qu'une transformation soit réversible ? Irréversible ?
6. Pour un système isolé, que peut-on dire de l'entropie ? Quel est le lien avec la notion d'équilibre thermodynamique ?
7. Pour une transformation adiabatique, qu'devient l'entropie créée ? Montrer que pour une transformation adiabatique réversible, $\Delta S = 0$ (isentropique).
8. Expliquer pourquoi la chaleur s'écoule spontanément d'un corps chaud vers un corps froid et non l'inverse. Faire intervenir le concept d'entropie et calculer l'entropie créée.
9. Donner une interprétation statistique de l'entropie (approche de Boltzmann). Quel est le lien entre l'entropie microscopique (nombre de configurations) et l'entropie thermodynamique ? Comment l'entropie mesure-t-elle le désordre moléculaire ?
10. Établir l'expression de la variation d'entropie pour un gaz parfait en fonction de (T, P). (Les expressions pourront être fournies ou guidées.) Donner les deux autres expressions en fonction de (T, V) et (P, V).
11. Calculer la variation d'entropie d'un gaz parfait pour les transformations suivantes : (a) isotherme, (b) isobare, (c) isochore. Commenter l'évolution de l'entropie dans chaque cas.
12. Établir les lois de Laplace pour un gaz parfait subissant une transformation adiabatique réversible. (L'expression pourra être fournie ou guidée.) Démontrer au moins une de ces relations : $PV^\gamma = \text{cste}$, $TV^{\gamma-1} = \text{cste}$, $T^\gamma P^{1-\gamma} = \text{cste}$.
13. Tracer une isotherme ($PV = \text{cste}$) et une adiabatique réversible ($PV^\gamma = \text{cste}$) dans le diagramme de Clapeyron (P,V), passant par le même point initial. Comparer les pentes respectives. Commenter : quelle courbe est plus "raide" et pourquoi ?
14. Calculer l'entropie d'une phase condensée (incompressible et indilatable) lors d'une variation de température. Comment s'écrit la variation d'entropie ? Pourquoi la pression n'intervient-elle pas ?
15. Définir l'entropie de changement d'état (entropie massique de changement d'état). Établir la relation entre l'entropie de changement d'état et l'enthalpie de changement d'état. Comment peut-on accéder à l'entropie de changement d'état à partir de mesures d'enthalpie ?
16. Pour un système diphasé à l'équilibre, exprimer l'entropie totale en fonction du titre massique de l'une des phases. Comment évolue l'entropie au cours d'un changement d'état isobare-isotherme ?
17. Analyser thermodynamiquement un contact isochore avec un thermostat : un gaz initialement à $T_i$ est mis en contact avec un thermostat à $T_0$. Calculer $\Delta S$, $S_{\text{éch}}$ et $S_{\text{créée}}$. Montrer que $S_{\text{créée}} > 0$ si $T_i \neq T_0$. Quelle est la source d'irréversibilité ?
18. Analyser thermodynamiquement une détente de Joule-Gay Lussac : un gaz initialement dans un compartiment à $(T_i, P_i, V_0)$ se détend dans un compartiment vide de volume $V_1$. Montrer que $T_f = T_i$. Calculer $\Delta S$ et $S_{\text{créée}}$. Quelle est la source d'irréversibilité ?
19. Analyser thermodynamiquement une compression monotherme d'un gaz parfait : un gaz à $(T_0, P_0, V_0)$ est comprimé à température constante en appliquant une masse sur le piston (pression finale $P_f > P_0$). Calculer $\Delta S$, $S_{\text{éch}}$ et $S_{\text{créée}}$. Montrer que $S_{\text{créée}} > 0$. Quelle est la source d'irréversibilité ?

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Questions de cours seulement : Machines thermiques (Étude générale)

• Étude générale
• Principe et représentation d'une machine thermique
• Diagramme de Watt (P-V)
• Bilan énergétique
• Bilan entropique - Inégalité de Clausius
• Machine monotherme
• Efficacité, rendement
• Cogénération

Questions de cours - Machines thermiques

1. Qu'est-ce qu'une machine thermique ? Donner une représentation schématique d'une machine thermique en précisant les différents transferts énergétiques (travail et chaleurs).
2. Qu'est-ce qu'un diagramme de Watt ? Comment se représente un cycle thermique dans le diagramme (P,V) ? Quelle est l'interprétation graphique du travail net échangé par la machine ?
3. Établir le bilan énergétique pour une machine thermique sur un cycle complet. Préciser le signe des différentes grandeurs (travaux et chaleurs).
4. Énoncer l'inégalité de Clausius pour une machine thermique. Que devient cette inégalité pour une machine réversible ?
5. Qu'est-ce qu'une machine monotherme ? Peut-elle fonctionner comme moteur ? Justifier à l'aide du deuxième principe de la thermodynamique.
6. Définir le rendement (ou l'efficacité) d'une machine thermique. Quelle est la différence entre un rendement et une efficacité ? Donner des exemples.
7. Qu'est-ce que la cogénération ? Quel est l'intérêt de la cogénération par rapport à une production énergétique classique ?

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Questions de cours seulement : Statique des fluides - La particule de fluide

• La particule de fluide
• Concept de particule de fluide : définition et propriétés
• Forces surfaciques : définition, exemples
• Forces volumiques : définition, exemples
• Densité volumique de force de pesanteur
• Résultante des forces de pression en 1D et 3D
• Équation locale de la statique des fluides

Questions de cours - Statique des fluides

1. Qu'appelle-t-on une particule de fluide ? Quelles sont ses principales propriétés ?
2. Quels sont les deux grands types de forces qui peuvent s'exercer sur un fluide ? Donner la définition de chacun. Donner un ou plusieurs exemples de forces surfaciques et de forces volumiques.
3. Établir l'expression de la densité volumique de force de pesanteur exercée sur un fluide.
4. Comment exprime-t-on la résultante des forces de pression exercées sur un volume de fluide 1D ?
5. Comment exprime-t-on la résultante des forces de pression exercées sur un volume de fluide 3D ?
6. Énoncer l'équation locale de la statique des fluides.
7. Établir l'équation locale de la statique des fluides à partir du principe fondamental de la dynamique appliqué à une particule de fluide au repos.
8. Dans le cas où la seule force volumique est le poids, quelle forme prend l'équation locale de la statique des fluides ?
9. Comment l'équation locale de la statique des fluides se simplifie-t-elle lorsque l'axe vertical est orienté vers le haut ?

https://www.concours-mines-telecom.fr/le-concours-mines-telecom/les-epreuves-orales/#T4

Bonsoir à tous, en rappel de ce qui a été dit tout à l'heure en cours, je vous propose de venir demain en cours avec les PSI pour finir le chapitre sur les diagrammes E-pH et faire le TD sur ce chapitre.

Questions de cours seulement : Deuxième principe de la thermodynamique

• Évolutions irréversibles
• Exemples d'évolutions irréversibles : diffusion, conduction thermique, frottement, inélasticité
• Causes d'irréversibilité : déséquilibre mécanique, thermique, de diffusion
• Suppression de l'irréversibilité : conditions pour rendre une transformation réversible
• Deuxième principe de la thermodynamique
• Énoncé du deuxième principe en termes d'entropie
• Entropie : fonction d'état extensive, propriétés
• Décomposition : $\Delta S = S_{\text{éch}} + S_{\text{créée}}$
• Entropie échangée : $S_{\text{éch}} = \int \frac{\delta Q}{T_S}$
• Condition d'irréversibilité : $S_{\text{créée}} \geq 0$
• Conséquences : réversibilité, irréversibilité, équilibre
• Sens des transferts thermiques : spontanéité du transfert du chaud vers le froid
• Interprétation statistique : entropie et désordre microscopique (formule de Boltzmann)
• Entropie des gaz parfaits
• Expressions générales de la variation d'entropie (à fournir ou guider)
• Variations d'entropie pour différentes transformations (isotherme, isobare, isochore, adiabatique)
• Lois de Laplace et entropie des gaz parfaits en transformation adiabatique réversible
• Autres calculs entropiques
• Phases condensées : entropie et changements d'état
• Systèmes diphasés
• Enthalpie de changement d'état et variation d'entropie associée : $\Delta_{I \to II} s(T) = \frac{\Delta_{I \to II} h(T)}{T}$
• Retour sur les exemples
• Contact avec un thermostat : calcul d'entropie créée (cas isochore et isobare)
• Détente de Joule-Gay Lussac : analyse entropique
• Compression monotherme d'un gaz parfait : bilan énergétique et entropique
• Conditions de réversibilité : entropie créée nulle

Questions de cours - Deuxième principe de la thermodynamique

1. Donner des exemples d'évolutions irréversibles dans la nature. Quelles sont les trois principales causes d'irréversibilité (déséquilibres) ? Comment pourrait-on rendre une transformation quasi-réversible ?
2. Énoncer le deuxième principe de la thermodynamique en termes d'entropie. Quelles sont les propriétés de l'entropie (nature, extensivité, additivité) ?
3. Énoncer la décomposition de la variation d'entropie : $\Delta S = S_{\text{éch}} + S_{\text{créée}}$. Définir chacun des deux termes. Que signifient les signes de ces termes ?
4. Qu'est-ce que l'entropie échangée ? Comment se calcule-t-elle ? Pourquoi la surface du système doit-elle être à la température $T_S$ ?
5. Qu'est-ce que l'entropie créée ? Quelle est la condition sur l'entropie créée pour qu'une transformation soit réversible ? Irréversible ?
6. Pour un système isolé, que peut-on dire de l'entropie ? Quel est le lien avec la notion d'équilibre thermodynamique ?
7. Pour une transformation adiabatique, qu'devient l'entropie créée ? Montrer que pour une transformation adiabatique réversible, $\Delta S = 0$ (isentropique).
8. Expliquer pourquoi la chaleur s'écoule spontanément d'un corps chaud vers un corps froid et non l'inverse. Faire intervenir le concept d'entropie et calculer l'entropie créée.
9. Donner une interprétation statistique de l'entropie (approche de Boltzmann). Quel est le lien entre l'entropie microscopique (nombre de configurations) et l'entropie thermodynamique ? Comment l'entropie mesure-t-elle le désordre moléculaire ?
10. Établir l'expression de la variation d'entropie pour un gaz parfait en fonction de (T, P). (Les expressions pourront être fournies ou guidées.) Donner les deux autres expressions en fonction de (T, V) et (P, V).
11. Calculer la variation d'entropie d'un gaz parfait pour les transformations suivantes : (a) isotherme, (b) isobare, (c) isochore. Commenter l'évolution de l'entropie dans chaque cas.
12. Établir les lois de Laplace pour un gaz parfait subissant une transformation adiabatique réversible. (L'expression pourra être fournie ou guidée.) Démontrer au moins une de ces relations : $PV^\gamma = \text{cste}$, $TV^{\gamma-1} = \text{cste}$, $T^\gamma P^{1-\gamma} = \text{cste}$.
13. Tracer une isotherme ($PV = \text{cste}$) et une adiabatique réversible ($PV^\gamma = \text{cste}$) dans le diagramme de Clapeyron (P,V), passant par le même point initial. Comparer les pentes respectives. Commenter : quelle courbe est plus "raide" et pourquoi ?
14. Calculer l'entropie d'une phase condensée (incompressible et indilatable) lors d'une variation de température. Comment s'écrit la variation d'entropie ? Pourquoi la pression n'intervient-elle pas ?
15. Définir l'entropie de changement d'état (entropie massique de changement d'état). Établir la relation entre l'entropie de changement d'état et l'enthalpie de changement d'état. Comment peut-on accéder à l'entropie de changement d'état à partir de mesures d'enthalpie ?
16. Pour un système diphasé à l'équilibre, exprimer l'entropie totale en fonction du titre massique de l'une des phases. Comment évolue l'entropie au cours d'un changement d'état isobare-isotherme ?
17. Analyser thermodynamiquement un contact isochore avec un thermostat : un gaz initialement à $T_i$ est mis en contact avec un thermostat à $T_0$. Calculer $\Delta S$, $S_{\text{éch}}$ et $S_{\text{créée}}$. Montrer que $S_{\text{créée}} > 0$ si $T_i \neq T_0$. Quelle est la source d'irréversibilité ?
18. Analyser thermodynamiquement une détente de Joule-Gay Lussac : un gaz initialement dans un compartiment à $(T_i, P_i, V_0)$ se détend dans un compartiment vide de volume $V_1$. Montrer que $T_f = T_i$. Calculer $\Delta S$ et $S_{\text{créée}}$. Quelle est la source d'irréversibilité ?
19. Analyser thermodynamiquement une compression monotherme d'un gaz parfait : un gaz à $(T_0, P_0, V_0)$ est comprimé à température constante en appliquant une masse sur le piston (pression finale $P_f > P_0$). Calculer $\Delta S$, $S_{\text{éch}}$ et $S_{\text{créée}}$. Montrer que $S_{\text{créée}} > 0$. Quelle est la source d'irréversibilité ?

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Questions de cours et exercices : Premier principe de la thermodynamique

• Transformations d'un système
• Transformation quasi-statique : définition, conditions
• Transformation réversible : définition, critères de réversibilité
• Transformation irréversible : causes d'irréversibilité
• Cas particuliers : transformation isobare, monobare, isotherme, monotherme, isochore
• Transformation adiabatique : définition, propriétés
• Premier principe de la thermodynamique
• Modes de transfert d'énergie : travail et transfert thermique
• Types de transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement
• Énoncés du premier principe : $\Delta U = W + Q$
• Thermostat : définition, propriétés
• Calcul direct des variations de $U$ pour différents systèmes
• Travail des forces de pression
• Expression du travail élémentaire : $\delta W = -P_{\text{ext}} dV$
• Transformations isochores : $W = 0$
• Transformations monobares et isobares : $W = -P_{\text{ext}}(V_f - V_i)$
• Transformations quasi-statiques (réversibles mécaniquement) : $W = -\int P dV$
• Représentation graphique : diagramme de Clapeyron (P,V)
• Gaz parfait en transformation isotherme réversible : $W = nRT \ln\frac{V_f}{V_i}$
• Travail autre que les forces de pression (forces électriques, etc.)
• Transferts thermiques
• Modes de transfert thermique
• Thermostat et transformations monothermes
• Calcul de $Q$ : cas général et cas particuliers
• Application du premier principe pour déterminer $Q$
• Enthalpie
• Motivation et définition : $H = U + PV$
• Propriétés de l'enthalpie (fonction d'état extensive)
• Capacité thermique à pression constante $C_P$
• Gaz parfaits : deuxième loi de Joule $H = H(T)$
• Relation de Mayer : $C_P - C_V = nR$
• Phases condensées : $H \approx U$, $C_P \approx C_V$
• Systèmes diphasés et enthalpie de changement d'état
• Calculs de variation d'enthalpie pour différentes transformations
• Coefficient γ et lois de Laplace
• Définition du rapport $\gamma = \frac{C_P}{C_V}$
• Valeurs de $\gamma$ pour différents gaz (monoatomique, diatomique, polyatomique)
• Dérivation des lois de Laplace pour une transformation adiabatique réversible d'un gaz parfait
• Lois de Laplace : $PV^\gamma = \text{cste}$, $TV^{\gamma-1} = \text{cste}$, $P^{1-\gamma}T^\gamma = \text{cste}$
• Calorimétrie
• Principe de la calorimétrie : système isolé
• Méthode des mélanges
• Détermination de capacités thermiques
• Changements d'état dans un calorimètre

Mardi 9 juin de 16h à 17h : dernière interro

Mercredi 10 juin : TP de 10h30 à 11h30 pour le groupe A, de 11h30 à 12h30 pour le groupe B

Mercredi 17 juin : pas de TP

Questions de cours et exercices : Premier principe de la thermodynamique

• Transformations d'un système
• Transformation quasi-statique : définition, conditions
• Transformation réversible : définition, critères de réversibilité
• Transformation irréversible : causes d'irréversibilité
• Cas particuliers : transformation isobare, monobare, isotherme, monotherme, isochore
• Transformation adiabatique : définition, propriétés
• Premier principe de la thermodynamique
• Modes de transfert d'énergie : travail et transfert thermique
• Types de transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement
• Énoncés du premier principe : $\Delta U = W + Q$
• Thermostat : définition, propriétés
• Calcul direct des variations de $U$ pour différents systèmes
• Travail des forces de pression
• Expression du travail élémentaire : $\delta W = -P_{\text{ext}} dV$
• Transformations isochores : $W = 0$
• Transformations monobares et isobares : $W = -P_{\text{ext}}(V_f - V_i)$
• Transformations quasi-statiques (réversibles mécaniquement) : $W = -\int P dV$
• Représentation graphique : diagramme de Clapeyron (P,V)
• Gaz parfait en transformation isotherme réversible : $W = nRT \ln\frac{V_f}{V_i}$
• Travail autre que les forces de pression (forces électriques, etc.)
• Transferts thermiques
• Modes de transfert thermique
• Thermostat et transformations monothermes
• Calcul de $Q$ : cas général et cas particuliers
• Application du premier principe pour déterminer $Q$
• Enthalpie
• Motivation et définition : $H = U + PV$
• Propriétés de l'enthalpie (fonction d'état extensive)
• Capacité thermique à pression constante $C_P$
• Gaz parfaits : deuxième loi de Joule $H = H(T)$
• Relation de Mayer : $C_P - C_V = nR$
• Phases condensées : $H \approx U$, $C_P \approx C_V$
• Systèmes diphasés et enthalpie de changement d'état
• Calculs de variation d'enthalpie pour différentes transformations
• Coefficient γ et lois de Laplace
• Définition du rapport $\gamma = \frac{C_P}{C_V}$
• Valeurs de $\gamma$ pour différents gaz (monoatomique, diatomique, polyatomique)
• Dérivation des lois de Laplace pour une transformation adiabatique réversible d'un gaz parfait
• Lois de Laplace : $PV^\gamma = \text{cste}$, $TV^{\gamma-1} = \text{cste}$, $P^{1-\gamma}T^\gamma = \text{cste}$
• Calorimétrie
• Principe de la calorimétrie : système isolé
• Méthode des mélanges
• Détermination de capacités thermiques
• Changements d'état dans un calorimètre

Questions de cours

1. Qu'est-ce qu'une transformation quasi-statique ? Quelles sont les conditions pour qu'une transformation soit quasi-statique ? Donner un exemple de transformation quasi-statique et un exemple de transformation non quasi-statique.
2. Définir une transformation réversible. Quelles sont les conditions de réversibilité ? Quelle est la différence entre transformation réversible et transformation quasi-statique ?
3. Quelles sont les principales causes d'irréversibilité dans une transformation thermodynamique ? Donner des exemples concrets.
4. Définir les transformations suivantes : isobare, monobare, isotherme, monotherme, isochore, adiabatique. Quelle est la différence entre transformation isobare et monobare ? Entre isotherme et monotherme ?
5. Énoncer le premier principe de la thermodynamique. Préciser le signe des différentes grandeurs (travail reçu/fourni, chaleur reçue/cédée). Quelle est l'interprétation physique de ce principe ?
6. Quels sont les deux types de transferts d'énergie en thermodynamique ? Quelles sont les différences fondamentales entre le travail et le transfert thermique ?
7. Établir l'expression du travail élémentaire des forces de pression : $\delta W = -P_{\text{ext}} dV$. Préciser le signe et les conventions utilisées.
8. Calculer le travail des forces de pression pour les transformations suivantes : (a) transformation isochore, (b) transformation monobare, (c) transformation isobare. Faire un schéma dans le diagramme de Clapeyron (P,V) pour chaque cas.
9. Établir l'expression du travail des forces de pression pour une transformation quasi-statique (réversible mécaniquement). Quelle est l'interprétation graphique dans le diagramme de Clapeyron ?
10. Démontrer que pour un gaz parfait subissant une transformation isotherme réversible, le travail vaut $W = nRT \ln\frac{V_f}{V_i}$. Tracer l'allure de cette transformation dans le diagramme de Clapeyron.
11. Définir l'enthalpie d'un système thermodynamique. Quelle est la motivation physique de l'introduction de cette grandeur ? Quelles sont ses propriétés ?
12. Définir la capacité thermique à pression constante $C_P$. Quelle est sa relation avec la capacité thermique à volume constant $C_V$ ? Établir la relation de Mayer pour un gaz parfait.
13. Énoncer la deuxième loi de Joule pour un gaz parfait concernant l'enthalpie. Quelle est la signification physique de cette loi ? En déduire l'expression de $\Delta H$ pour un gaz parfait.
14. Comparer les comportements de l'énergie interne et de l'enthalpie pour les phases condensées. Montrer que pour les phases condensées incompressibles : $\Delta H \approx \Delta U$ et $C_P \approx C_V$.
15. Définir l'enthalpie de changement d'état (ou chaleur latente de changement d'état). Donner des exemples pour différentes transitions de phase.
16. Définir le coefficient $\gamma = \frac{C_P}{C_V}$. Donner ses valeurs typiques pour un gaz parfait monoatomique, diatomique et polyatomique. Quelle est l'interprétation physique de ce coefficient ?
17. Établir les lois de Laplace pour un gaz parfait subissant une transformation adiabatique réversible. Démontrer au moins une de ces trois relations : $PV^\gamma = \text{cste}$, $TV^{\gamma-1} = \text{cste}$, $P^{1-\gamma}T^\gamma = \text{cste}$.
18. Qu'est-ce qu'un calorimètre ? Énoncer le principe fondamental de la calorimétrie. Comment détermine-t-on la capacité thermique d'un corps par la méthode des mélanges ?
19. Pour un système isolé contenant plusieurs corps à des températures différentes, écrire le bilan énergétique à l'équilibre thermique. Comment détermine-t-on la température finale d'équilibre ?
20. Qu'est-ce qu'un thermostat ? Quelles sont ses propriétés caractéristiques ? Comment calcule-t-on le transfert thermique $Q$ échangé avec un thermostat lors d'une transformation ?