Fiche de révision : Thermodynamique fondamentale

📋 Plan du Cours

1. Cadre et objectifs de la thermodynamique
2. Unités et conventions thermodynamiques
3. Système et types d’échanges
4. État et transformations du système
5. Propriétés des gaz parfaits
6. Énergie interne et premier principe

📖 1. Cadre et objectifs de la thermodynamique

📝 Points essentiels

📌 La thermodynamique étudie les échanges d’énergie et l’évolution d’un système entre un état initial et un état final, mais elle ne renseigne ni sur le mécanisme ni sur la durée de la transformation, qui relèvent de la cinétique et de l’enzymologie.

💡 Astuce mémo

Thermodynamique : énergie et évolution ; cinétique : mécanisme et durée

📖 2. Unités et conventions thermodynamiques

📝 Points essentiels

• Les unités SI utilisées en thermodynamique sont le mètre cube pour le volume, le pascal pour la pression, le kelvin pour la température et le joule pour l’énergie.

📐 Formule — La pression est le rapport de la force à la surface : $P=\frac{F}{S}$.

• Les conversions importantes sont $1\,\mathrm{m^3}=1000\,\mathrm{L}$, $1\,\mathrm{bar}=1000\,\mathrm{hPa}=10^5\,\mathrm{Pa}$, $1\,\mathrm{atm}=1{,}013\times10^5\,\mathrm{Pa}$ et $T(\mathrm{K})=\theta(°\mathrm{C})+273{,}15$.

📖 3. Système et types d’échanges

🔑 Notions clés & Définitions

• Système : Partie de l’univers dans laquelle s’effectue la transformation étudiée, délimitée par une frontière réelle ou fictive.

★ À maîtriser

📌 La chaleur Q est un transfert d’énergie associé à des mouvements désordonnés, tandis que le travail W est un transfert d’énergie associé à des mouvements ordonnés.

• Les types de systèmes sont:
  • ouvert : échange de matière et d’énergie
  • fermé : échange d’énergie mais pas de matière
  • adiabatique : échange de travail mais ni matière ni chaleur
  • isolé : aucun échange de matière ni d’énergie

Compléments

📌 L’énergie gagnée par le système correspond à une variation d’énergie positive, $\Delta E>0$, tandis que l’énergie perdue correspond à une variation négative, $\Delta E<0$.

💡 Astuce mémo

Ouvert → fermé → adiabatique → isolé : les échanges diminuent

📖 4. État et transformations du système

🔑 Notions clés & Définitions

• Équilibre thermodynamique : L’équilibre thermodynamique avec le milieu extérieur exige un équilibre thermique $T_{syst}=T_{ext}$, un équilibre mécanique $P_{int}=P_{ext}$ et une concentration constante des espèces chimiques.
• Variable d’état : Une variable d’état est une grandeur macroscopique mesurable, comme la pression P, le volume V, la température T, la quantité de matière n ou l’énergie, qui caractérise l’état d’un système.

📝 Points essentiels

📌 Une transformation réversible passe par une infinité d’états intermédiaires assimilables à des états d’équilibre, tandis qu’une transformation irréversible est spontanée et totale et ne peut être ni arrêtée ni inversée.

💡 Astuce mémo

Réversible : double sens ; irréversible : sens unique

📖 5. Propriétés des gaz parfaits

🔑 Notions clés & Définitions

• Gaz parfait : Gaz dont les interactions entre les molécules sont négligeables, comportement approché par les gaz non ionisés lorsque la pression tend vers zéro et que le volume augmente.

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un gaz parfait, l’équation d’état est $PV=nRT$, avec $R=8{,}314\,\mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}$.

• Selon le principe d’Avogadro, des volumes égaux de gaz soumis à la même pression et à la même température contiennent le même nombre de molécules, et le volume molaire est alors identique pour tous les gaz.

Compléments

📐 Formule — Selon la loi de Dalton, la pression totale d’un mélange de gaz parfaits est la somme des pressions partielles : $P=\sum_i p_i$, avec $P_iV=n_iRT$ et $PV=(\sum_i n_i)RT$.

💡 Astuce mémo

PV = nRT : Pression, Volume, quantité, Température

📖 6. Énergie interne et premier principe

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’état : Propriété liée aux variables d’état dont la variation au cours d’une transformation est indépendante du chemin suivi.

★ À maîtriser

• L’énergie interne comprend notamment:
  • les contributions translationnelles
  • les contributions rotationnelles
  • les contributions vibrationnelles
  • les contributions électrostatiques

📐 Formule — Pour un système fermé, le premier principe s’écrit $\Delta U_{1\to2}=W+Q$, car l’énergie se conserve et ne fait que se transformer.

📌 Pour un système isolé, $\Delta U_{1\to2}=0$ et donc $W=-Q$.

📐 Formule — Pour un gaz parfait à température constante, la première loi de Joule donne $\Delta U_{gaz}=0$.

Compléments

📐 Formule — Le travail thermodynamique s’écrit $\delta W=-P_{ext}\,dV$ lorsque le travail non thermodynamique est négligé.

💡 Astuce mémo

Échanges Q et W → variation de U

📊 Tableaux de synthèse

Types de systèmes thermodynamiques