18
CHAPITRE
Second principe
L’essentiel du cours
Une transformation est-elle toujours possible ? Peut-on toujours en inverser le sens ?
Contexte
Nous avons vu dans le chapitre précédent que le premier principe de la thermodynamique nous
permet de déterminer l’origine de la variation d’énergie interne d’un système au cours d’une transformation ainsi que les transferts thermiques entre le système et l’extérieur.
En revanche, il ne nous permet pas de déterminer si une transformation est possible et, si elle l’est,
il n’interdit pas qu’elle puisse se faire en sens inverse. Autrement dit il ne nous renseigne pas sur
les caractères possible ou impossible, réversible ou irréversible d’une transformation.
Pour introduire la notion d’irréversibilité, nous considérons les trois expériences suivantes :
• Expérience 1 : un calorimètre, de capacité thermique négligeable, contient initialement
une masse d’eau liquide m 1 à la température T 1 = 300 K. À l’instant t = 0, on ajoute une
masse d’eau liquide m 2 à la température T 2 = 350 K, puis on agite. On suit l’évolution de
la température et on constate qu’elle finit par se stabiliser sur une valeur finale T f .
• Expérience 2 : de la vapeur d’eau est contenue dans un cylindre calorifugé et fermé par
un piston mobile. Initialement elle se trouve dans un état d’équilibre A de paramètres d’état
(P A = 1,00 bar, T A = 400 K et v A = 1,83 m
3
· kg
−1 ). On déstabilise le système en poussant
brutalement le piston qui se met à exercer instantanément sur le gaz une pression extérieure
constante P ext = 5,00 bar. Après des oscillations du piston, le système se stabilise dans l’état
d’équilibre B de paramètres d’état (P B = 5,00 bar, T B = 680 K, v B = 0,62 m
3
· kg
−1 ).
• Expérience 3 : de la vapeur d’eau est contenue dans un cylindre non calorifugé, en
contact avec un thermostat de température T C = 500 K et fermé par un piston mobile.
Initialement elle se trouve dans un état d’équilibre C (P C = 1,00 bar, T C = 500 K et
v C = 2,30 m
3
· kg
−1 ). On déstabilise le système en poussant brutalement le piston qui se
met à exercer instantanément sur le gaz une pression extérieure constante P ext = 5,00 bar
constante. Après des oscillations du piston, le système se stabilise dans l’état d’équilibre D
(P D = 5,00 bar, T D = 500 K, v D = 0,45 m
3
· kg
−1 ).
Comment caractériser ces expériences ?
• Expérience 1 : c’est une transformation monobare adiabatique. Au cours de la transformation le système n’échange pas d’énergie par transfert thermique avec l’extérieur et il
reste en équilibre mécanique avec l’atmosphère dont la pression est constante.
• Expérience 2 : c’est une compression adiabatique.
© Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit.
partagelivrescpge.blogspot.com
CHAPITRE
Second principe
L’essentiel du cours
Une transformation est-elle toujours possible ? Peut-on toujours en inverser le sens ?
Contexte
Nous avons vu dans le chapitre précédent que le premier principe de la thermodynamique nous
permet de déterminer l’origine de la variation d’énergie interne d’un système au cours d’une transformation ainsi que les transferts thermiques entre le système et l’extérieur.
En revanche, il ne nous permet pas de déterminer si une transformation est possible et, si elle l’est,
il n’interdit pas qu’elle puisse se faire en sens inverse. Autrement dit il ne nous renseigne pas sur
les caractères possible ou impossible, réversible ou irréversible d’une transformation.
Pour introduire la notion d’irréversibilité, nous considérons les trois expériences suivantes :
• Expérience 1 : un calorimètre, de capacité thermique négligeable, contient initialement
une masse d’eau liquide m 1 à la température T 1 = 300 K. À l’instant t = 0, on ajoute une
masse d’eau liquide m 2 à la température T 2 = 350 K, puis on agite. On suit l’évolution de
la température et on constate qu’elle finit par se stabiliser sur une valeur finale T f .
• Expérience 2 : de la vapeur d’eau est contenue dans un cylindre calorifugé et fermé par
un piston mobile. Initialement elle se trouve dans un état d’équilibre A de paramètres d’état
(P A = 1,00 bar, T A = 400 K et v A = 1,83 m
3
· kg
−1 ). On déstabilise le système en poussant
brutalement le piston qui se met à exercer instantanément sur le gaz une pression extérieure
constante P ext = 5,00 bar. Après des oscillations du piston, le système se stabilise dans l’état
d’équilibre B de paramètres d’état (P B = 5,00 bar, T B = 680 K, v B = 0,62 m
3
· kg
−1 ).
• Expérience 3 : de la vapeur d’eau est contenue dans un cylindre non calorifugé, en
contact avec un thermostat de température T C = 500 K et fermé par un piston mobile.
Initialement elle se trouve dans un état d’équilibre C (P C = 1,00 bar, T C = 500 K et
v C = 2,30 m
3
· kg
−1 ). On déstabilise le système en poussant brutalement le piston qui se
met à exercer instantanément sur le gaz une pression extérieure constante P ext = 5,00 bar
constante. Après des oscillations du piston, le système se stabilise dans l’état d’équilibre D
(P D = 5,00 bar, T D = 500 K, v D = 0,45 m
3
· kg
−1 ).
Comment caractériser ces expériences ?
• Expérience 1 : c’est une transformation monobare adiabatique. Au cours de la transformation le système n’échange pas d’énergie par transfert thermique avec l’extérieur et il
reste en équilibre mécanique avec l’atmosphère dont la pression est constante.
• Expérience 2 : c’est une compression adiabatique.
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