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Introduction aux cours de Thermodynamique
http://christophehaouy.wix.com/thermodynamique
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1. Mise en page et contenu des cours :
Ces cours de thermodynamique
(numérotés de 1 à 7) s'adressent à des étudiants dont le niveau scientifique
s'arrête au calcul d'une intégrale simple, de base : ∫(1/x)·dx est le
maximum que l'on peut exiger. Ce cours n'est donc pas un exposé détaillé
destiné à former des spécialistes de thermodynamique mais essaye d'en présenter
de manière aussi épurée que possible les notions fondamentales. Certaines notions
restant encore vagues dans les premiers cours sont, dans les cours suivants,
généralement affinées voire rectifiées. Chaque cours est suivi d'exercices
illustrant les notions abordées. Ces exercices sont indispensables pour
maîtriser le cours.
Les
étudiants qui liront (et comprendront) le cours sans faire les exercices
resteront néanmoins incapables de résoudre les problèmes simples de
thermodynamique ; un cours
n'est pas une émission télévisée qui se termine à la fin de l'exposé. Il doit s'assimiler, et cela passe
nécessairement pas la résolution des exercices qui
exposent également une manière de présenter un
problème concret.
Remarques :
- l'auteur, professeur agrégé de physique appliquée, n'est pas un spécialiste de
thermodynamique ; le but de ces documents est de proposer un support de cours
avec applications pour des étudiants en STS Industriels.
Les ouvrages de thermodynamique disponibles dans le commerce sont pratiquement tous destinés à des élèves de classes préparatoires ou à des étudiants dont le niveau mathématique est déjà relativement élevé ; créer un cours de thermodynamique pour des étudiants de BTS n'a pas été facile, surtout que des contraintes de temps s'imposent (1 heure par semaine consacrée à la thermodynamique en BTS Maintenance, ce qui donne 30 heures environ dans l'année)…et il est souvent nécessaire de ne pas trop approfondir pour ne garder à l'esprit que l'essentiel. On peut consulter des anciens manuels de cours de mécanique destinés aux élèves de Terminale F1 (nouvellement "génie mécanique") dans lesquels la thermodynamique était encore au programme. Pour les ouvrages récents, voir la biblio en fin de page .
| Cours n° 1 : Température et chaleur. Comme la thermodynamique (dans son sens restreint) étudie les interactions chaleur/mouvement, il est nécessaire d'aborder la première notion essentielle : la chaleur (transferts thermiques), qu'il faut absolument dissocier de la notion de température.
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| Cours n° 2 : Travail et diagrammes P(V). Voici la deuxième notion fondamentale de thermodynamique. Les étudiants connaissent déjà la notion de travail en mécanique, il s'agit ici d'adapter cette notion à la thermodynamique et de remarquer l'utilité d'un diagramme P(V) pour calculer le travail échangé lors d'une transformation thermodynamique. Ce cours ne fera intervenir que les travaux dus aux seules forces extérieures de pression. En particulier les travaux obtenus à partir des forces intérieures au système (travail dit "indiqué") ne sont pas abordés, en particulier les turbines ne sont pas étudiées (il ne s'agit que d'une introduction à la thermodynamique, rappelons-le). En outre l'énergie cinétique et potentielle des corps sera négligée devant les travaux et chaleurs échangées, ce qui exclut l'étude des tuyères. Dans ce cas seuls les compresseurs à piston seront étudiés (moteur thermiques, pompes à chaleur, réfrigérateurs).
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| Cour n°3 : Les quatre transformations
thermodynamiques de base. Le premier principe de la thermodynamique. Une fois que la chaleur et le travail ont bien été définis, on peut aborder le premier principe de la thermodynamique qui nous explique les échanges d'énergie thermique (la chaleur) et mécanique (le travail). Avant tout, on s'aperçoit que les transformations les plus compliquées peuvent essentiellement se décomposer en une succession de transformations de base : la transformation adiabatique, la transformation isobare, la transformation isochore et la transformation isotherme. Des transparents abordent de façon simpliste la manière d'effectuer ces quatre transformations.
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| Cours n° 4 : Chaleur, travail et énergie
interne des gaz parfaits. Les trois cours précédents permettent d'observer ce qu'il se passe pour les gaz dont le comportement est simplifié à l'extrême : les gaz parfaits.
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| Cours n° 5 : Transformations quasi-statiques.
Le deuxième principe de la thermodynamique. Les quatre cours précédents nous ont permis de nous familiariser avec les notions de travail, chaleur, énergie interne et gaz parfait. Ce cours permettra d'aborder le fonctionnement des machines thermiques en nous expliquant que tout n'est pas possible en termes d'échange d'énergies.
Réversibilité : à propos du 2nd principe de la thermodynamique (fichier PDF) dont l'objectif est de faire comprendre que tout n'est pas si simple en pédagogie … |
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Cours n° 6 : Changement d'état des corps
purs. Dernier passage obligé pour comprendre le fonctionnement des machines thermiques avec changement de phase, ce cours aborde les notions élémentaires de changement de phase. Les exercices en fin de cours nous présentent le fonctionnement élémentaire d'une cocotte - minute ; il est recommandé tout particulièrement le paragraphe spécial sur la météo.
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| Cours n° 7 : Les machines thermiques dithermes. Ce cours, aboutissement du programme des BTS Maintenance, illustre le principe de fonctionnement des moteurs thermiques, des réfrigérateurs et des pompes à chaleur. Les exercices présentent de nombreux sujets de thermodynamique donnés à l'examen de BTS Maintenance et résument ce que l'étudiant moyen de 1er cycle universitaire doit pouvoir savoir faire.
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Télécharger l'ensemble des cours et exercices (4,5 Mo)
Ces cours ont été créés avec autant de soin que
possible, mais une coquille n'est
pas exclue : toute critique de ces cours
sera la bienvenue.
Christophe HAOUY
exemple : cours sur les machines thermiques
Introduction à la thermodynamique, de Claire Lhuillier et de
Jean Rous, collection 1er
cycle universitaire, éditions DUNOD, 1994. Cet ouvrage évite le formalisme
mathématique (trop souvent présent en thermodynamique) et donne des exemples
concrets d'illustrations du cours. Il s'agit de spécialistes en Thermodynamique
(laboratoire de Physique théorique de Jussieu).
Toute la thermodynamique, la mécanique des fluides
et les ondes mécaniques, cours et exercices corrigés, classes
préparatoires MPSI-PCSI, MP-PC-PSI, par L. Bocquet, J.P. Faroux et J. Renault..
Editions Dunod 2002.
Thermodynamique, 2ème année PT – PT*.
Gérard DAREAU, Georges ROUSSELET. Collection taupe-niveau. Editions Ellipses.
1998. Ce livre est d'un abord théorique élevé. Les rédacteurs se sont
spécialisés dans la thermodynamique technique.
Thermodynamique, problèmes résolus, 3ème
édition, par Hubert Lumbroso, Mc Graw-Hill, 1984.
Physique statistique. Cours de physique de
Berkeley, volume 5. Armand Colin, 1994.
Cours de Physique de Feynman, mécanique 2.
Dunod, 1979.
Atlas de la Physique, par Hans Breuer,
collection Encyclopédie d'aujourd'hui. Livre de Poche, 1997. Je ne connais
cependant pas la formation scientifique du (ou des) rédacteur(s). Certaines
explications me paraissent erronées (le phénomène de cavitation dans les
robinets domestiques par exemple).
Nouvelle encyclopédie pratique de mécanique,
tome 1, par Henri DESARCE, librairie Aristide Quillet, 1949. Cet ouvrage
(évidemment épuisé) est une bible d'informations…sa vieillesse garantit
l'utilisation de schémas ou de gravures qui représentent les machines thermiques
à une époque où la photo n'était pas d'usage courant dans les livres, ce qui
nécessite forcément une "épuration" du dessin qui présente
l'essentiel et non le superflu. En outre les systèmes mécaniques sont
clairement exposés.
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