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Bases de thermodynamique

Ce cours vous propose de découvrir les bases de la thermodynamique de niveau « cycles préparatoires ».

Comprenez mieux le principe des gaz parfaits et des machines hydrauliques en passant par les deux principes de la thermodynamique.

L'équipe pédagogique

Johan Verstraete

Johan Verstraete

Directeur de l'ESME de Lille, et professeur de physique
Vincent Froger

Vincent Froger

Professeur de sciences physiques, ESME Sudria Lille
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Bases de thermodynamique

11
Modules
I

Thermodynamique

Module 11h

C’est quoi la thermodynamique ?

La thermodynamique est la science qui traite de l’Energie et étudie les lois de transformations de l’Energie. Elle doit son existence à ces deux questions : Qu’est-ce que l’énergie ? Quelles relations existe-t-il entre travail et chaleur ? »

Ce MIMO présente les concepts de bases et les outils nécessaires à la compréhension et à l’application des lois et des principes de la thermodynamique.

Module 21h

La chaleur

Jusqu’à la fin du 18ème la distinction entre température et chaleur demeure confuse et aujourd’hui encore on confond ces deux notions très différentes par leur nature : la première est une variable permettant de décrire l’état thermique des corps et la seconde est une énergie susceptible de s’échanger entre les corps et capable de modifier la valeur de la température d’un corps. C’est l’étude de l’état thermique des corps et de leur dilatation qui a permis de construire les premiers thermomètres. Quant à la chaleur, ses différents modes de transferts ont été largement utilisés afin d’améliorer notre quotidien et notre technologie.

Module 31h

Les gaz parfaits

Pour étudier les lois de la thermodynamique, on utilise le gaz parfait qui modélise un gaz idéal permettant de faire des calculs et d’établir des lois qui s’appliquent avec quelques corrections aux gaz réels plus complexe.

Module 41h

Le premier principe

La conservation de l’énergie est un principe que vous avez déjà rencontré en sciences physique au lycée. Elle était appliquée à l’énergie mécanique en l’absence de frottements à l’origine notamment d’échauffements.

Le premier principe permet d’aller plus loin en généralisant le principe de conservation de l’énergie à des processus qui s ’accompagnent d’échanges de chaleur.

Module 51h

Le second principe

La conservation de l’énergie est un principe que vous avons étudié au modules précédent. Mais ce principe possède une limite la réversibilité des transformations étudiées. En effet, relâchez un gaz enfermé dans un récipient dans l’air et il vous sera impossible de l’y faire revenir.

Le premier principe permettait de généraliser le principe de conservation de l’énergie à des processus qui s ’accompagnent d’échanges de chaleur. Nous allons voir que le second principe permet de connaître le sens d’évolution des transformations et donc leur faisabilité.

Module 61h

Les potentiels thermodynamiques

Grace au second principe il est possible de déterminer la réversibilité des transformations impliquant des échanges de travail et de chaleur avec le milieu extérieur. Afin d’étudier les systèmes fermés, nous allons introduire de nouvelles fonctions d’état qui permettent d’en prévoir le sens d’évolution grâce aux conditions initiales. Elles permettent également de prévoir l’état d’équilibre des systèmes fermés.

Module 71h

Les Machines thermiques

Grace au second principe il est possible de déterminer la réversibilité des transformations impliquant des échanges de travail et de chaleur avec le milieu extérieur. Afin d’étudier les systèmes fermés, nous allons introduire de nouvelles fonctions d’état qui permettent d’en prévoir le sens d’évolution grâce aux conditions initiales. Elles permettent également de prévoir les caractéristiques de ces systèmes à l’état d’équilibre.

Module 81h

Pression dans un fluide

Dans ce module, nous nous attacherons à définir ce que l’on appelle couramment un fluide. Nous verrons que ceux-ci peuvent se trouver dans une situation d’équilibre (repos) ou de mouvement (écoulement), et nous définirons dans le premier cas la notion de pression hydrostatique. Nous aborderons enfin deux lois très importantes en mécanique des fluides : le théorème de Pascal et le principe d’Archimède.

Module 91h

Dynamique des fluides parfaits

Au cours de ce module, nous allons mettre en évidence les relations fondamentales permettant de décrire un fluide en écoulement : le théorème de Bernoulli et l’équation de continuité. Cette dernière relation nous permettra d’aborder une grandeur importante en mécanique des fluides : le débit. Enfin, nous verrons une application du théorème de Bernoulli via l’étude d’un dispositif appelé le tube de Venturi.

Module 101h

Dynamique des fluides réels

A travers ce module, nous allons définir la grandeur caractéristique des fluides réels : la viscosité. Nous verrons également comment la viscosité d’un fluide impacte l’écoulement d’un fluide, notamment par l’établissement des régimes d’écoulements et des pertes de charge. Nous aborderons également l’influence de la viscosité des fluides sur le profil des vitesses dans le cas d’un écoulement particulier appelé écoulement de Poiseuille cylindrique.

Module 111h

Machines hydrauliques

Dans ce module, nous aborderons les différents dispositifs qui permettent de convertir l’énergie des fluides en énergie mécanique et vice-versa. Nous verrons quelles sont les principales catégories et comment évaluer les rendements et les puissances propres à ces dispositifs.

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