Entropie et phénomènes irréversibles

Niveau LMD	L2-L3
Auteur(s) du grain	Jean-Luc Godet - Université d'Angers
Résumé
Après un retour sur la notion de transformation quasi-statique, le second principe est énoncé en tant que postulat d’une fonction d’état, l’entropie. La différentielle de celle-ci est déduite de l’étude des équilibres thermiques et mécaniques entre deux systèmes. Le calcul des variations d’entropie et de l’entropie est explicité pour des systèmes simples. La nature ou non réversible des interactions mécaniques et thermiques caractéristiques est déterminée. Les implications du second principe sur la possibilité d’existence et le rendement des machines thermiques sont analysées. Le cycle de Carnot est déduit de cette analyse.
Mots-clés
Carnot, Thomson, Clausius, entropie, quasi-statique, réversible, irréversible, rendement, efficacité et cycle de Carnot.
Prérequis
notions de température, pression, transfert thermique, travail, énergie interne, 1er principe et modèles du gaz parfait et du corps incompressible.
Objectif(s) pédagogique(s)
introduction à la modélisation d’un système mécanique.
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Fonctions thermodynamiques & potentiels chimiques

Niveau LMD	L2-L3
Auteur(s) du grain	Jean-Luc Godet - Université d'Angers
Résumé
Après un retour sur les inégalités entre travaux ou transferts thermiques selon que la transformation est ou non quasi-statique, la notion de potentiel thermodynamique est abordée à travers la recherche de travaux ou transferts thermiques optimaux. La construction des fonctions U, H, F et G est suivie de leur exploitation mathématique, notamment pour la définition des coefficients thermiques. Le potentiel chimique est déduit des potentiels thermodynamiques grâce à un questionnement sur les systèmes ouverts et sur la notion d’équilibre. Sa forme primitive est construite dans le cas du gaz parfait. De là, on déduit une forme générale après introduction de la notion d’activité chimique. Quelques applications sont ébauchées dans le champ des transitions de phase et des réactions chimiques.
Mots-clés
Helmholtz, Gibbs, Duhem, potentiel thermodynamique, potentiel chimique, équilibre thermodynamique, équilibre chimique et loi d’action de masse.
Prérequis
notions de température, pression, transfert thermique, travail, modèles du gaz parfait et du corps incompressible, 1er principe et 2ème principes.
Objectif(s) pédagogique(s)
compréhension des notions de potentiel thermodynamique,de potentiel chimique et de leurs rapports aux concepts d’énergie et d’entropie.
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Conduction de la chaleur dans un barreau cylindrique métallique

Type	Référence
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Exercice de référence sur le transfert de chaleur par conduction avec établissement et résolution de l'équation de propagation de la chaleur pour un problème unidimensionnel.
Mots-clés
conduction thermique et equation de propagation de la chaleur (établissement et résolution).
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Conduction thermique dans une barre métallique hétérogène

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Calcul en régime stationnaire de la température de jonction de deux barres métalliques soudées et du flux de chaleur dans les barres, soumises à un gradient de température à leurs extrémités.
Mots-clés
conduction thermique, régime stationnaire, loi de Fourier et calcul de flux de chaleur.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Claquage de fusible

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Etude et quantification des modes de transfert thermique d'un fusible avec son environnement. Calcul de l'intensité du courant pour laquelle il y a « claquage » (fusion) du fusible.
Mots-clés
effet Joule, transfert convectif et par rayonnement et bilan thermique d'un fusible.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Température nocturne

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
On calcule la température nocturne d'équilibre d'une plaque posée au sol sous un ciel très dégagé. Le résultat s'obtient de façon itérative.
Mots-clés
transfert convectif et par rayonnement et linéarisation en température des échanges radiatifs.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Eclairement solaire en limite d'atmosphère

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Application de la loi de Stefan au cas de l'émission radiative du soleil.
Mots-clés
transfert radiatif, loi de Stefan et corps noir.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Température de brillance de planète

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Bilan thermique de la planète Terre.
Mots-clés
loi de Stefan, bilan thermique et albedo.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Echange radiatif infrarouge entre deux surfaces grises et lambertiennes

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Eclairements mutuels infrarouges entre deux surfaces en regard complet l'une de l'autre
Mots-clés
loi de Stefan, bilan thermique, eclairement de surface et emission apparente.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Résistance thermique et températures de mur

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Caractéristique thermique d'un mur composite en régime permanent établi
Mots-clés
résistance thermique, résistance de surface, analogie électrique et déperdition thermique.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Structure discontinue de la matière

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Calcul du changement de volume occupé par des molécules suite à un changement de conditions thermodynamiques.
Mots-clés
loi des gaz parfaits.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Calcul de pression

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Calcul de pression avec une précision demandée.
Mots-clés
loi des gaz parfaits.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Compression isotherme

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Caractéristiques d'une compression isotherme
Mots-clés
loi des gaz parfaits.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Modèle du gaz parfait pour un gaz réel dilué

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Calcul de la distance entre molécules et discussion sur la validité du modèle de gaz parfait pour un gaz réel dilué.
Mots-clés
gaz réel, loi des gaz parfaits et energie potentielle d'interaction.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Vitesse quadratique moyenne

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Exercice de référence de théorie cinétique des gaz. On écrit la pression dans une enceinte comme résultat des chocs élastiques des molécules sur les parois, et on relie la pression à la vitesse quadratique moyenne des molécules.
Mots-clés
principe fondamental de la dynamique, choc élastique et hypothèse d'équipartition des vitesses.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Vitesse et énergie cinétique de molécules

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
On calcule la vitesse et l'énergie cinétique de molécules pour des conditions thermodynamiques et des gaz parfait donnés
Mots-clés
vitesse quadratique moyenne de molécules et conservation de l'énergie mécanique.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Libre parcours des molécules d'un gaz parfait

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
On obtient l'expression de la distance moyenne parcourue par les molécules entre deux collisions en fonction de la densité des molécules et de leur diamètre. Puis on calcule le libre parcours moyen des molécules d'un gaz parfait.
Mots-clés
collision de molécules, section efficace d'interaction et libre parcours moyen.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Libre parcours moyen et coefficient de diffusion

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
L'exercice fait le lien entre libre parcours moyen de molécules et coefficient d'autodiffusion d'un gaz. Pour cela, on obtient l'expression de la densité de flux de molécules et on utilise la loi de Fick.
Mots-clés
libre parcours moyen, loi de Fick et vitesse moléculaire moyenne.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Réaction nucléaire et libre parcours

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Exercice de référence sur la définition du libre parcours moyen de neutrons dans un milieu absorbant, et la vitesse de décroissance du flux de neutrons dans le milieu.
Mots-clés
libre parcours moyen, réaction nucléaire et loi de Beer-Lambert.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Evolution de deux systèmes mis en contact et cas limite

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Première partie d'un exercice qui considère la mise en contact de deux systèmes isolés de l'extérieur. On calcule ici les quantités de chaleur échangées, la température d'équilibre atteinte après la transformation.
Mots-clés
irréversibilité, chaleur échangée et thermostat.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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Variation d'entropie suite à la mise en contact de deux systèmes et cas limite

Type	Entraînement
Niveau LMD	L2
Auteur(s) du grain	Nicolas Ferlay - Université Lille 1
Résumé
Deuxième partie d'un exercice qui considère la mise en contact de deux systèmes isolés de l'extérieur. On calcule ici la variation d'entropie de chacun des systèmes au cours de la transformation ainsi que celle du système réunissant les deux corps.
Mots-clés
irréversibilité, thermostat, variation d'entropie et deuxième principe.
Prérequis
Objectif(s) pédagogique(s)
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