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Cours
Le deuxième principe de la thermodynamique, énoncé , calcul de variation d’entropie, le troisième principe et quelques notions sur l’entropie statistique.
Ce chapitre est à cheval sur les deux années : la formulation différentielle du second principe n'est qu'au programme de seconde année.
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LE PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE , FONCTION ENRGIE INTERNE , ENTHALPIE
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Application des deux principes de la thermodynamique aux machines thermiques que sont le moteur, le réfrigérateur et la pompe à chaleur.
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Définition de la température absolue. Relation fondamentale de la statique des fluides. Poussée d’Archimède. Gaz parfait monoatomique, définition de la pression cinétique, gaz réels.
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Changement d’état d’un corps pur, enthalpie et entropie de changement d’état (cours première année).
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Exercices d'application
Cet exercice permet d’appliquer les formules du cours (ainsi que la formule de Clapeyron)à la compression, puis à la vaporisation du mercure.
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Une simple application des lois de Mariotte et Laplace…
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Où l’on vérifie que lors d’une transformation irréversible, il y a toujours création d’entropie dans l’Univers .
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Pompe à chaleur entre un thermostat et une source chaude de température variable.
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Bilans énergétiques pour un cycle de moteur Diesel
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Rôle d’une pompe à chaleur dans le chauffage d’un apppartement.
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Elévation de la température d’un fleuve au contact d’une centrale nucléaire
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Utilisation de la fonction S comme fonction caractéristique permettant de trouver l’énergie interne et l’équation d’état du gaz.
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Compression adiabatique brutale d’un gaz parfait subissant une transformation à pression extérieure constante.
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Calcul de variation d’entropie d’un gaz parfait qui subit une détente à température constante, l’une iso énergétique l’autre isenthalpique.
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Echange thermique entre deux corps à des températures différentes.
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On calcule la variation d’énergie interne le travail échangé ainsi que le transfert thermique d’un gaz de van der Waals subissant une transformation isotherme
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Détermination de la capacité thermique d’une phase condensée par la méthode des mélanges à l’intérieur d’un calorimètre.
On introduit un solide dans un calorimètre contenant de l’eau afin de déterminer sa capacité calorifique.
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Apport d’énergie électrique à un système constitué de deux enceintes. Il s’agit de calculer le travail fourni à un système constitué de deux systèmes dont le volume de chacun d’eux varie.
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Transferts d’énergie pour un gaz parfaits subissant des transformations isothermes, isochores et isobares.
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Transferts d’énergie pour un gaz parfait subissant des transformations adiabatiques et isochores et isothermes.
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Calcul de travail et transfert thermique au cours de transformation isotherme. Transferts d’énergie pour un gaz parfait subissant des transformations isothermes.
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On cherche la température pour laquelle , dans le diagramme d’Amagat l’isotherme à une tangente horizontale pour p=0.
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On étudie le mouvement d’un aérostat soumis à la poussée d’Archimède.
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On étudie la variation de la température et de la pression dans une atmosphère qui n’est plus isotherme. Dans ce modèle on suppose que la température de l’atmosphère dépend de la température.
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Oscillations d’un cylindre flottant dans l’eau.
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Il s’agit de trouver les coordonnées de la température critique d’un gaz obéissant à l’équation de Van der Waals et de trouver une équation d’état indépendante de la nature du gaz.
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On compare la vitesse qu’il faut donner à une particule pour qu’elle échappe définitivement à l’attraction d’un astre à sa vitesse quadratique moyenne à une certaine température.
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On cherche la résultante des forces de pression exercée par l’eau sur la porte d’une écluse.
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Fonctionnement d’un réfrigérateur entre deux sources de températures constantes.
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Où l’on voit que pour liquéfier le diazote, il faut déjà le porter à une pression suffisante.
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Calculs de variation d’entropie pour une vaporisation réversible, puis irréversible.
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Mise en contact de deux corps isolés, avec changement d’état.
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Cet exercice présente un cycle moteur, composé de deux isobares et deux isentropiques.
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Cet exercice illustre comment les irréversibilités dégradent très vite l’efficacité réelle d’un réfrigérateur.
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A l’aide d’une pompe à chaleur et d’un moteur thermique, on cherche à élever au maximum la température d’une partie d’un système isolé de l’extérieur., la pompe et le moteur faisant partie du système.
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Cet exercice présente une détente voisine de celle de Joule-Gay-Lussac, mais où l’on n’attend pas l’équilibre thermique.
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Cet exercice permet de bien voir le passage irréversible à réversible d’une transformation, en faisant tendre les gradients thermiques vers zéro.
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Problèmes de concours
Détermination des caractéristiques de l’oscillateur
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Oscillateur harmonique dans le champ de pesanteur
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Partie I – Formation de la neige dans l’atmosphère. Partie II – A propos des avalanches.
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La matière noire dans l’univers
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Partie I – Le trioxyde de tungstène WO3 : structure et propriétés optiques ; élaboration de la poudre de tungstène métallique
Partie II – Couplage des phénomènes de conduction thermique et électrique
en régime linéaire – Etude d’un réfrigérateur
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Sur le thème de la physique des bulles et des gouttes, l’épreuve est constituée de deux problèmes indépendants d’importances inégales.
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Problème I - L’air humide : climatisation et formation des nuages. Problème II – Vidange d’un réservoir
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Problème I : Analogies rhéoélectriques. Problème II : Transferts thermiques dans un tube d’échangeur ; ébullition de l’eau en convection forcée
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Partie I – Formation des bulles. Partie II – Croissance des bulles. Partie III – Effet de masse ajoutée. Partie IV – Explosion des bulles. Partie V – Rupture du jet ascendant
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Problème A : Etude énergétique et thermodynamique
d’une tranche nucléaire française REP 900 MW. Problème B : Ecoulement d’eau dans un canal rectiligne
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Ce problème, posé au concours CCP-DEUG 2003, est proche du cours et permet, en abordant plusieurs parties du programme des deux années, de le réviser efficacement.
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Ce problème, posé au concours CCP-DEUG 2002, est proche du cours et permet, en abordant plusieurs parties du programme des deux années, de le réviser efficacement.
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Phénomènes météorologiques associésà des mouvements verticaux de masses d’air
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Ce problème, posé au concours CCP-DEUG 2004, est proche du cours et permet, en abordant plusieurs parties du programme des deux années, de le réviser efficacement.
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Problème I –Mesure de résistances
Problème II – Production de froid
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