L'UE Sciences Fondamentales 2 : 4

Connaître les phénomènes physiques impliqués lors des situations accidentelles (combustion, rayonnement, explosion…) et disposer des outils pour modéliser les effets liés à une activité industrielle : évaluation des flux thermiques, quantité de chaleur par unité de surface

Le Gaz parfait. Lois fondamentales • Définition du gaz parfait. Notions de théorie cinétique des gaz. Mole, volume, vitesses, valeurs moyennes, nombre d’Avogadro • La relation de Bernoulli. Définition de la pression. Unités de pression. La relation PV = 2/3U. Introduction de l’énergie interne • La température cinétique. Relation de base permettant de définir la température < 1/2mv2 >= 3/2kT. Introduction de l’équipartition de l’énergie, avec 1/2kT par degré de liberté • L’équation d’état du gaz parfait PV = nRT. Autres écritures de l’équation d’état (avec la densité...) • Les lois classiques du gaz parfait : loi de Mariotte, de Joule, de Charles... • Quelques exercices d’application : calcul de la distance moyenne entre deux molécules de gaz dans les conditions normales. Même travail pour des molécules d’eau Interactions thermiques et premier principe de la thermodynamique • Définitions générales relatives aux systèmes thermodynamiques (ouverts, fermés et isolés). Conventions de signes. Définition de l’état d’un système, des variables d’état • Les fonctions d’état. Définition des transformations thermodynamiques réversibles et irréversibles. Définition des cycles thermodynamiques • Les interactions thermiques : introduction du travail et de la chaleur • Le premier principe. Nouvelle définition de l’énergie interne U. Les énoncés du premier principe. Cas particuliers des cycles thermodynamiques • Le travail des forces de pression. Cas irréversible et cas réversible. Interprétation graphique et introduction de la représentation de Clapeyron (diagramme (P,V)). Le travail mis en jeu sur un cycle en fonction de son sens de parcours • Les coefficients calorimétriques. Chaleurs massiques et molaires à volume constant et à pression constante • Application des notions précédentes au cas particulier du gaz parfait. L’énergie interne en fonction du nombre de degrés de liberté des molécules de gaz parfait. Les chaleurs molaires du gaz parfait, et le rapport des chaleurs spécifiques • Les transformations élémentaires du gaz parfait dans le cas réversible : transformations isobares, isochores, isothermes et adiabatiques. Relation de Laplace • Interprétations physiques et calcul des énergies (travail, chaleur) mis en jeu au cours de ces transformations. • Le cycle de Carnot. Calcul des travaux et des chaleurs mis en jeu. Définition du rendement du cycle, calcul de ce rendement • Applications : étude de la détente de Joule, du cycle de Beau de Rochas (moteur à combustion interne), du cycle de Joule (turbine a gaz, avec liens entre le fonctionnement réel et la transformation subie par le gaz lors du cycle thermodynamique) Notions sur les fluides réels : • Les limitations de l’équation d’état du gaz parfait • Le réseau d’isothermes d’Andrews. Introduction des paramètres critiques (température, pression, volume). Exemple de l’azote et du butane • L’équation de van der Waals. Justification des termes de covolume et de pression interne. Calcul des paramètres critiques en utilisant l’équation de van der Waals • Quelques notions sur les états métastables introduits a partir du graphe de l’équation de van der Waals • Calculs dur l’équation de Dieterici : recherche des paramètres critiques (à faire à la maison) Second principe et l’entropie • Généralités et définitions : thermostat, machine thermique, cycle monotherme • Les énoncés du second principe (Carnot, les deux énoncés de Clausius) • Le théorème de Carnot, rendement d’une machine thermique dans le cas réversible et le cas irréversible • L’inégalité de Clausius, dans le cas de 2 sources, puis passage a une source continue • L’entropie. Définition, propriétés. Les théorèmes relatifs a l’entropie des systèmes isolés • L’entropie du gaz parfait. Les diagrammes (T, S) avec l’exemple du cycle de Carnot • Exemple de l’utilisation de l’entropie pour rechercher un état d’équilibre • Exercices d’applications sur le second principe de la thermodynamique

Contrôle sur table (durée 1h30)

Moteurs alternatifs à combustion interne, P. ARQUES, Ellipses (99) -Thermodynamique - J.P. PEREZ ; Masson, 1997, 2ème édition. - Thermodynamique des états de la matière - P. PAPON, J. LEBLOND ; Hermann, 1990. - Thermodynamique - M. HULIN, N. HULIN, M. VEYSSIE ; Dunod, 1994. - Précis de physique - Thermodynamique - Queyrel et Mesplède, Ed Bréal.- Thermodynamique - Foussard et Julien - Ed Dunod. - Energétique et turbomachines, R. BIDARD & J. BONNIN, Eyroles (79).- Thermodynamique technique, M. BAILLY, Bordas (71).- Thermodynamique et énergétique, L. BOREL, Presses Polytech. Romandes (84).- Thermodynamique et énergétique, Problèmes résolus et exercices - Lucien Borel, Din Lan N.guyen - Presses polytechniques romandes. Thermodynamique générale et applications - R. Kling ; Editions Technip.