mr thermo-ch6 partie 1
TRANSCRIPT
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
1/19
CHAPITRE VI
DEUXIEME PRINCIPE
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
2/19
I - LA DISSYMETRIE DE LA NATURE- Premier Principe =conservation de lnergiedans une transformation.- Mais cette transformation peut avoir lieu indiffremment dans
un sens ou dans lautre (avec seulementUAB= -UBA)Dvidence, dans la nature, certaines transformations ont lieudans un sens prcis.
Premier exemple : Le flux de la chaleur
La chaleur scoule toujours du corps chaud vers le corps froid.(Premier nonc du deuxime principe)
Deuxime exemple : Le rebond inlastique dune balle sur un support.
Il correspond une transformation de lnergie cintique de la balle(mouvement corrl datomes de la balle) en chaleur (mouvement
dsordonn des atomes du support).
Linverse ne peut tre obtenu (chauffement du support se traduisant parune mise en mouvement de la balle).
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
3/19
Troisime exemple : On peut transformer intgralement du travail
mcanique en chaleur (ex. frottement). Linverse est impossible
Machine thermique (fonctionnant en cycle) contenant un gaz parfait
Source
Dtente
isotherme
Q
Compression
isotherme
Q Si change avec une seule source :
Pas de travail fourni au cours du cycle
IL FAUT OUVRIR LE CYCLE
Source
Dtente isotherme rversible: WAB+QAB = 0
Le systme reoit QAB et fourni WABCompression isotherme rversible: QBA+WBA = 0
Le systme reoit WBA et fourni QBA
Rversible
mme chemin laller et au retourWBA=-WAB
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
4/19
Dtente isothermeencontact avec lasource
chaude
Utilisation de deux sources de chaleur: une source chaudeet une source froide
Cycle de Carnot
Dtenteadiabatique
machine isole
Compressionisothermeen contact avec la source
froide
Compressionadiabatiquemachine isole
Q1 Q2
Q1> 0 et Q2< 0
W + Q1 + Q2 = 0
Le systme a fourni du travail (W < 0)
mais Q1 n a pas t intgralement
transform en travail mcanique : une
partie (Q2) est restitue la source froide.
On ouvre le cycle en utilisant
isotherme et adiabatique
T
peutvarier
T2
T peut
varierT1T1
T2
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
5/19
CB
T1
BAQ1
T1
DAQ
CQ2
D
T2
P A
B
C
D
V
Cycle de CARNOT
Wcycle+Q1+Q2 = 0, Wcycle< 0
Q1 > 0, Q2 < 0
Q1 > IWcycleI
Toute la chaleur fournienest pas transforme en
travail, une partie va vers la
source froide ...
Chaleur et travail correspondent deux formes particulires et non
quivalentes de transfert dnergie. Limpossibilit de transformer intgralementde la chaleur en travail traduit une dgradation de lnergie.
Il n y a donc pas de crise de l nergie mais une DEGRADATION de la
forme utilisable de lnergie (diminution irrversible de la quantitdnergie globale de lUnivers transformable en travail)
Toutes les transformations sont
rversibles cycle IDEAL.
Wcycle=W1+W2
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
6/19
II - PREVISION DU SENS DUNETRANSFORMATION : LENTROPIECe qui ressort de ltude prcdente :
Le travail est intgralement transformable en chaleur,Mais linverse nest pas vrai !
Rajout
La chaleur scoule spontanment du corps chaud vers le
corps froid, linverse nest pas vrai (na jamais t constat).
Un gaz se rpand naturellement dans un volume initialement
vide, linverse (il se confine naturellement dans un espace plus
rduit) nest pas vrai.
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
7/19
P1, V1 P2, V2
Si P1>P2alors le fluide coule de V1 V2(indpendamment des volumes)Cest la variable intensive P qui fixe le sens de lvolution.
conduite
dbit
T1, m1 T2, m2
Si T1>T2alors la chaleur coule de T1 T2(indpendamment des masses)
Cest la variable intensive T qui fixe le sens de lvolution.
Q
conducteur
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
8/19
Premire tape : COMMENT DEFINIR UN CRITERE
PERMETTANT DE PREVOIR LE SENS DUNE EVOLUTION?
On utilisera une fonction dtat appeleENTROPIE (S)
Cahier des charges :- Elle devra tre une grandeur extensive (entropie du tout =
somme des entropies de chaque partie).
-Toute transformation irrversible (et donc spontane) devrasaccompagner dune augmentation dentropie.- Corollaire : toute transformation saccompagnant dune
diminution dentropieest spontanment impossible sansintervention extrieure.
ATTENTION!! : LE CRITERE DE SPONTANEITE NE PEUT
SAPPLIQUER QUA UN SYSTEME ISOLE.
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
9/19
Les transformations irrversibles (spontanes)dun systme isol (univers) sont celles qui
saccompagnent dune augmentation dentropie.C
B
A
entropie
D
UN ENONCE POSSIBLE DU DEUXIEME PRINCIPE
tats spontanment accessibles
tat non spontanment accessible pourle systme isol ( pour latteindre, il fautsupprimer son isolement)
Entropie initiale
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
10/19
Consquences :- Lentropie dun systme isol nest pas unegrandeur conservative (comme lnergie interne).
- Elle est indestructible et ne peut que crotre.
Principe dvolution:
LENTROPIE DUN UNIVERS NE PEUT QUECROTRE.
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
11/19
Deuxime tape : DISCUSSION, A TRAVERS LES
POSTULATS DEDUITS DE LEXPERIENCE DE LA FORMEQUE POURRAIT PRENDRE CETTE FONCTION DETAT
Les proprits dfinies prcdemment doivent permettre devrifier les deux postulats prcdents :
Il est impossible de raliser une transformation dont lunique rsultatserait labsorption de chaleur partir dune seule sourceet sa
transformation complteen travail. (nonc de KELVIN)
Il est impossible de raliser une transformation dont luniqueeffet serait
un transfert de chaleur dun corps donn vers un corps plus chaud.
(nonc de CLAUSIUS)
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
12/19
Consquences de lnonc de KELVIN
UNIVERS (entropie S)
Il est impossible de raliser une transformation dont lunique rsultat serait labsorption de
chaleur partir dun seul rservoirthermique et sa transformation complteen travail.
Source(entropie S0 )
Systme(entropie S
)
Extrieur(entropie Sext)
Q
W extSSS'S ++= 0
1) Le systme est inchang (cycleavec S fonction dtat) S = 0.
3) La source cde de la chaleur Q S0 < 0.
4) Donc transformation impossible carS
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
13/19
Consquences de lnonc de CLAUSIUSIl est impossible de raliser une transformation dont luniqueeffet serait un transfert de chaleur
dun corps donn vers un corps plus chaud.
2
Q ?T1
T2
1
21 += SS'S
Impossibilit de la
transformation : 0
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
14/19
P A
C
D
VT2
B
Q1
T1
Q2
VA VD VB VC
pA
pB
pD
pC
Isothermes:
Adiabatiques
D
CB
V
V
V
V=
Troisime tape : Dfinition de la fonction dtat
A) Cycle rversible de Carnot
C
DB
V
V
lnnRTQV
V
lnnRTQ 2211 ==
AA
CC
1
C
B
1
CCC
1
BAA
1
BBBBB
VPVP
VVo'd
V.VPV.VPV.VPVP
=
===
CCDDAABB VPVPetVPVP ==
== DDAACCBB VPVPetVPVP
AA
CC
AA
DD
1
D
A
1
DDD
1
ABB
1
AAAAA
VP
VP
VP
VP
V
Vo'd
V.VPV.VPV.VPVP
==
===
Or
Isothermes
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
15/19
P A
C
D
VT2
B
Q1
T1
Q2
VA VD VB VC
pA
pBpD
pC
On a : 1)
2)
D
CB
V
V
V
V=
Cycle rversible de Carnot
C
DB
V
VlnnRTQ
V
VlnnRTQ
2211 ==
Isothermes
)V
Vln(nR
T
Q
A
B
1
1 = )V
Vln(nR
T
Q
D
C
2
2 =2) 3)
1) + 3)2
2
1
1
T
Q
T
Q=
0
T
Q
T
Q
2
2
1
1 =+Cycle de Carnot :
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
16/19
J
T1
T2T3
T4
A
B
C D
EF
G
H
I
P
V
On considre les 3 cycles
de Carnot suivants:
cycle AIGHA :
cycle IBJFI :
cycle CDEJC :
En additionnant
0T
QT
Q2
GH
1
AI =+
B) Cycle rversible plusieurs sources(compos disothermes et dadiabatiques)
0T
Q
T
Q
4
JF
1
IB
=+
0
T
Q
T
Q
4
EJ
3
CD =+
0T
QQ
T
Q
T
Q
T
QQ
4
JFEJ
3
CD
2
GH
1
IBAI =+
++++ 0
T
Q
T
Q
T
Q
T
Q
4
EF
3
CD
2
GH
1
AB =+++
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
17/19
P
V
T
Qrev
T-T
C) Gnralisation
Dcoupage dun cycle rversible quelconque en une infinit de cycles de Carnot
==
cyclecycle
rev dS0
T
Q
=
T
QdS revS
dfinie par est bien la fonction dtat cherche.
S est la variable dextensit associe la variable dintensit T.
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
18/19
Dfinition de lentropie
= T
QdS rev
La variation dentropie dun systme se calcule partir dela quantit de chaleur change rversiblement avec
lextrieur par ce systme, divise par la temprature (en K !)du systme.
-
7/26/2019 Mr Thermo-ch6 Partie 1
19/19
SYNTHESE
UNIVERS = systme + milieu extrieur.
Echanges de W et Q entre le systme et le milieu extrieur.
Extrieur
ext)Univers( SS'S +=
SystmeT
W
Q
Text
On envisage une transformation, on passe de ltat A ltat B
extxtAextBeB''
B SS)SS()SS(SS'S +=+==
ext)Univers( SS'S +=