Mercredi 7 mai 2014 – La Physique en PCSI

Cette semaine, les colles de Physique sont consacrées à la thermodynamique : premier principe, et second principe.

Remarque pour les interrogateurs : Le nouveau programme 2013 a apporté de nombreux allègements par rapport au précédent (voir compétences exigibles en bas de cette page). Ainsi :
– L’identité thermodynamique n’est plus au programme.
– Les transformations envisagées sont finies (pas de transformations infinitésimales).
– L’expression de la fonction d’état entropie

$S$

en fonction des variables d’état pour le système considéré doit être systématiquement fournie.
– L’entropie échangée s’écrit :

$S_{ech}=\sum_{i} \frac{Q_i}{T_i}$

, ce qui implique donc que les échanges ne s’effectuent qu’avec des thermostats (

$T_i = cste$

), dans les exercices d’application du second principe. (Si vous souhaitez malgré faire calculer un bilan entropique où la température de la source de chaleur n’est pas constante, il faudra alors guider l’étudiant).

QUESTIONS DE COURS DE CETTE SEMAINE

Q1. Enoncer le premier principe de la thermodynamique. (Attention à ne pas oublier les hypothèses !…)
Q2. On fait passer

$n$

moles de gaz parfait de l’état

$(P_i,V_i,T_0)$

à l’état

$(P_f,V_f,T_0)$

, en le maintenant au contact d’un thermostat à

$T_0$

(transformation monotherme). Etablir l’expression du travail

$W$

reçu par le gaz :
– dans le cas d’une compression lente (quasi-statique) ;
– puis dans le cas d’une compression brutale (monobare : on applique la pression extérieure

$P_f$

d’un seul coup).
Q3. Définir l’enthalpie. En déduire l’expression de l’enthalpie d’un gaz parfait monoatomique en fonction de sa température.
Q4. Définir la “capacité thermique à volume constant” , puis la “capacité thermique à pression constante” d’un système thermodynamique. En déduire leurs valeurs pour une mole de gaz parfait monoatomique.
Q5. Qu’appelle-t-on le “coefficient gamma” d’un gaz ? En déduire la valeur du coefficient

$\gamma$

d’un gaz parfait monoatomique.
Q6. Rappeler la loi de Laplace (en variables

$(P,V)$

) et ses conditions d’application. A partir de la loi de Laplace en variables

$(P,V)$

, déterminer la loi de Laplace en variables

$(P,T)$

.
Q7. Enoncer le second principe de la thermodynamique (pour un système pas nécessairement isolé). Ne pas oublier les hypothèses !
Q8. Quelle est la signification physique de l’entropie, du point de vue microscopique ? Discussion à l’oral avec l’interrogateur…

COMPÉTENCES ÉVALUABLES CETTE SEMAINE DANS LES EXERCICES

Travail des forces de pression. Transformations isochore, monobare.
– Calculer le travail par découpage en travaux élémentaires et sommation sur un chemin donné dans le cas d’une seule variable.
– Interpréter géométriquement le travail des forces de pression dans un diagramme de Clapeyron.Transfert thermique. Transformation adiabatique. Thermostat, transformations monotherme et isotherme.
– Distinguer qualitativement les trois types de transferts thermiques : conduction, convection et rayonnement.
– Identifier dans une situation expérimentale le ou les systèmes modélisables par un thermostat.
– Proposer de manière argumentée le modèle limite le mieux adapté à une situation réelle entre une transformation adiabatique et une transformation isotherme.
Premier principe de la thermodynamique :

$\Delta U + \Delta E_M = Q + W$

.
– Définir un système fermé et établir pour ce système un bilan énergétique faisant intervenir le travail et le transfert thermique

$Q$

.
– Exploiter l’intensivité de l’énergie interne.
– Distinguer le statut de la variation d’énergie interne du statut des termes d’échange.
– Calculer le transfert thermique

$Q$

sur un chemin donné connaissant le travail

$W$

et la variation de l’énergie interne

$\Delta U$

.
Enthalpie d’un système. Capacité thermique à pression constante dans le cas du gaz parfait et d’une phase condensée incompressible et indilatable.
– Exprimer l’enthalpie

$H_m(T)$

du gaz parfait à partir de l’énergie interne.
– Comprendre pourquoi l’enthalpie

$H_m$

d’une phase condensée peu compressible peu dilatable peut être considérée comme une fonction de l’unique variable

$T$

.
– Exprimer le premier principe sous forme de bilan d’enthalpie dans le cas d’une transformation monobare avec équilibre mécanique dans l’état initial et final.
– Connaître l’ordre de grandeur de la capacité thermique massique de l’eau liquide.
Loi de Laplace.
– Connaître la loi de Laplace et ses conditions d’application.
Deuxième principe : fonction d’état entropie, entropie créée, entropie échangée.

$\Delta S = S_{ech} + S_{cr}$

avec

$S_{ech}=\sum_{i} \frac{Q_i}{T_i}$

.
– Définir un système fermé et rétablir pour ce système un bilan entropique. Relier l’existence d’une entropie créée à une ou plusieurs causes physiques d’irréversibilité.
– Interpréter qualitativement l’entropie en terme de désordre en s’appuyant sur la formule de Boltzmann (a fait l’objet en classe d’une activité documentaire).
Variation d’entropie d’un système.
– Utiliser l’expression fournie de la fonction d’état entropie.
– Exploiter l’extensivité de l’entropie.

Bon travail à tous !

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