Mercredi 24 mai 2017 – La Physique en PCSI

Attention, le planning des colles de ce mercredi 24 mai 2017 est modifié, par rapport au colloscope :

	Interrogateur	Salle	Horaire	Groupe
Physique	MIDELTON	741	13h-14h	9
	MIDELTON	741	14h-15h	13 + PETRIS
	MIDELTON	741	15h-16h	11
	ROY	Bâtiment 4	13h-14h	14
	ROY	Bâtiment 4	14h-15h	12 + LOUISON
	CINCINNATUS	Bâtiment 4	14h-15h	10
Chimie	TINAS	Bâtiment 4	12h-13h	6
	TINAS	Bâtiment 4	13h-14h	10 + PETRIS
	TINAS	Bâtiment 4	14h-15h	9
	TINAS	Bâtiment 4	15h-16h	12 + LOUISON
	TINAS	Bâtiment 4	16h-17h	11
S.I.	GIROT	Labo de SI	15h-16h	13
S.I.	GIROT	Labo de SI	16h-17h	14

Cette semaine, les colles de Physique sont consacrées à la thermodynamique : premier principe et second principe (hors changements d’état).
Des questions de cours portent également sur les machines thermiques, mais les connaissances de ce chapitre ne sont pas encore exigibles en exercices.

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.

Attention, les changements d’état ne sont toujours pas au programme pour l’instant.

QUESTIONS DE COURS DE CETTE SEMAINE
Q1	Énoncer le second principe de la thermodynamique (attention à ne pas oublier les hypothèses !…). Faire le parallèle avec le premier principe (énergie échangée, énergie créée…).
Q2	Quelle est la signification physique de l’entropie, du point de vue microscopique ? Rappeler la définition de Boltzmann de l’entropie (on précisera la signification de $\Omega$ ).
Q3	Rappeler la loi de Laplace (celle que vous avez choisie d’apprendre par cœur : en variables $P,V$ par exemple), et ses conditions d’application. Puis, en déduire la loi de Laplace dans les deux autres jeux de variables ( $P,T$ et $T,V$ , par exemple).
Q4	Démontrer l’inégalité de Clausius pour une machine thermique.
Q5	Démontrer l’énoncé historique du Second principe, faite par Kelvin en 1852 : « Il n’existe pas de moteur monotherme. »
Q6	À l’aide d’un schéma, donner le sens réel des échanges énergétiques avec l’extérieur (travail $W$ , chaleur $Q_C$ échangée avec la source chaude et chaleur $Q_F$ échangée avec la source froide) dans le cas : d’un moteur ditherme, d’un réfrigérateur/congélateur/climatiseur ditherme, d’une pompe à chaleur ditherme. Dans chacun des trois cas, en déduire une définition de l’efficacité en fonction de $W$ , $Q_F$ et $Q_C$ (sans utiliser de valeur absolue).
Q7	Démontrer que le rendement d’un moteur ditherme ne peut pas excéder une valeur maximale appelée rendement de Carnot que l’on exprimera en fonction des températures des deux sources de chaleur. Pour quel type de fonctionnement peut-on obtenir ce rendement maximal ?
Q8	Démontrer que l’efficacité d’un réfrigérateur ditherme ne peut pas excéder une valeur maximale que l’on exprimera en fonction des températures des deux sources de chaleur. Pour quel type de fonctionnement peut-on obtenir cette efficacité maximale ?
Q9	Démontrer que l’efficacité d’une pompe à chaleur ditherme ne peut pas excéder une valeur maximale que l’on exprimera en fonction des températures des deux sources de chaleur. Pour quel type de fonctionnement peut-on obtenir cette efficacité maximale ?
Q10	Rappeler l’expression du premier principe pour un fluide en écoulement stationnaire dans un organe de machine comprenant une entrée et une sortie (on ne demande pas de démonstration). Définir clairement chaque terme.

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’extensivité 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 !

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

Q8

Q9

Q10

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