Serie des exercices avec solution de la Thermo-dynamique

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Date de publication : 16/10/2014
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Nathalie Van d e Wiele - Physique Sup PCSI - Lycée les Eucalyptus - Nice
Série d’exercices 25
1
SERIE D’EXERCICES 25 : THERMODYNAMIQUE : PREMIER PRINCIPE
Travail mécanique des forces extérieures de preression.
Exercice 1 : cas d’un gaz.
Soit une mole de gaz subissant une compression quasi statique et isotherme de ( P0 , T0 ) à ( 2 P0 , T0 ) . Donner l’expression du travail
reçu par le gaz selon qu’il s’agit :
1. d’un gaz parfait (on exprimera W en fonction de T0 );
2. d’un gaz de Van der Waals : ( P + a / V2 ) ( V - b ) = R T (on exprimera W en fonction de Vi et Vf les volumes dans l’état initial et
l’état final).
Exercice 2 : cas d’un liquide.
De l’eau liquide dans les conditions ( P0 , V0 , T0 ) subit une transformation quasi statique, son volume restant infiniment voisin de
V0 . Les coefficients thermoélastiques a , b et cT de l’eau sont connus et supposés constants.
1. Justifier l’expression du travail élémentaire sous la forme dW = V0 P ( cT dP - a dT ) .
2. Préciser le travail échangé par l’eau avec le milieu extérieur lors des transformations suivantes :
a) transformation isochore ;
b) transformation quasi statique et isobare (on exprimera W en fonction de a , P0 , V0 , T0 et T1 la température atteinte);
c) transformation quasi statique et isotherme (on exprimera W en fonction de cT , V0 , P0 et P1 la pression atteinte).
Exercice 3 : cas d’un solide.
Un solide a une compressibilité isotherme cT constante. Il subit une transformation isotherme et quasi statique telle que la pression
passe de la valeur P1 à la valeur P2 .
1. Calculer le travail reçu de l’extérieur.
A.N. : cT = 10-11 Pa-1 ; P1 = 1 atm ; P2 = 100 atm ; V = 1 L .
2. Comparer au travail que recevrait un gaz parfait de même volume initial sous la pression P1 lors d’une transformation identique.
Exercice 4 : travail reçu par un gaz pour différents chemins suivis.
On considère deux moles de dioxygène, gaz supposé parfait, que l’on peut faire passer réversiblement de l’état initial A ( PA , VA , TA )
à l’état final B ( PB = 3 PA , VB , TB = TA ) par trois chemins distincts :
1. chemin A 1 B : transformation isotherme ;
2. chemin A 2 B : transformation représentée par une droite en diagramme de Clapeyron (P , V ) ;
3. chemin A 3 B : transformation composée d’une isochore puis d’une isobare.
Représenter les trois chemins en diagramme de Clapeyron.
Calculer dans chaque cas les travaux mis en jeu en fonction de TA .
A.N. : TA = 300 K .
Exercice 5 : travail reçu par un solide pour différents chemins suivis.
Un solide de volume V0 , de coefficient de compressibilité isotherme cT et de dilatation isobare a ( cT et a sont constants), subit
un échauffement isobare et réversible de l’état A 0 ( P0 , T0 ) à l’état A ( P0 , T1 = k T0 ) ; puis une compression isotherme et réversible,
de l’état A à l’état A 1 ( P1 = k P0 , T1 ) , le volume du solide restant infiniment voisin de V0 .
1. Représenter les états A 0 , A et A 1 en diagramme ( P , T ) .
2. Etablir l’expression du travail reçu pour passer de l’état A 0 à l’état A1 , en fonction de P0 , V0 , k , a et cT et T0 :
a) en suivant le trajet A 0 A A 1 ;
b) en suivant le trajet direct A 0 A1 .
(On pourra utiliser la réponse à la question 1 de l’exercice 2.)
Transfert thermique.
Exercice 6.
Aux faibles pressions, la capacité thermique massique à volume constant d’un gaz diatomique (monoxyde de carbone) est fonction de
la température absolue T : cV = A0 - A1 / T + A2 / T2 où A 0 = 1,41 J.K-1.g-1 , A1 = 492 J.g-1 et A 2 = 16.104 J.K+ 1.g-1 pour cV en
J.K-1.g-1 .
1. Calculer le transfert thermique pour une mole de monoxyde de carbone lorsque le gaz est chauffé de 27 °C à 127 °C à volume
constant. (On donne les masses molaires : C = 12 g.mol-1 et O = 16 g.mol-1 .)
2. En déduire la capacité thermique massique moyenne relative à une mole de gaz.
Exercice 7.
Du phosphore liquide est placé dans un récipient ouvert à l’air libre à pression constante. On abaisse progressivement sa température
jusqu’en dessous de la température normale de solidification, sans provoquer l’apparition du solide, c’est ce que l’on appelle du
liquide surfondu.
Nathalie Van d e Wiele - Physique Sup PCSI - Lycée les Eucalyptus - Nice
Série d’exercices 25
2
On donne la température normale de fusion du phosphore t n = 44 °C ; la capacité thermique massique du phosphore liquide
cl = 0,25 cal.°C-1.g-1 ; la capacité thermique massique du phosphore solide cs = 0,20 cal.°C-1.g-1 ; la chaleur latente massique de fusion
du phosphore à 44 °C Lf,tn = 4,7 cal.g-1 .
Calculer la chaleur latente massique de fusion du phosphore à la température t du phosphore surfondu : Lf,t en fonction de la
température t et des données.
Exercice 8.
Un calorimètre de capacité thermique totale C (y compris celle des corps qui y sont contenus) dont la température initiale est qO se
refroidit par perte thermique. La puissance de fuite est proportionnelle à l’écart entre la température q du calorimètre à chaque instant et
la température extérieure constante qe .
1. Etablir la loi de variation q en fonction du temps t , de C , de a coefficient de proportionnalité de la puissance de fuite, et des
températures q0 et qe .
2. A.N. : C = 200 cal.°C-1 ; q0 = 20 °C ; qe = 10 °C ; au bout d’une minute la température est de 19,5 °C ; calculer le temps au bout
duquel elle sera de 15 °C .
Exercice 9.
On considère un calorimètre et l’eau contenue, de capacité thermique totale G = 400 cal.°C-1 (on rappelle 1 cal = 4,185 J ) et de
température initiale q0 = 15 °C , dans lequel on immerge un serpentin, de capacité thermique négligeable, parcouru par un liquide de
capacité thermique massique constante c = 0,4 cal.°C-1.g-1 , avec un débit régulier k = 1 g.s-1 . Ce liquide entre à la température
q1 = 80 °C constante et sort à la température q du calorimètre. On négligera les fuites thermiques.
1. Etablir la relation donnant q en fonction du temps t .
2. Quelle serait la température du calorimètre initialement à q0 , si l’on versait directement 100 g du liquide dont la température initiale
était q1 , le serpentin étant alors vide ?
3. Le serpentin est maintenant parcouru par de l’hydrogène qui entre à la température q1 = 80 °C et sort à la temp érature q du
calorimètre, dans les mêmes conditions initiales que précédemment ; au bout du temps t = 100 s , on note q = 52 ° C . Déterminer la
capacité thermique spécifique de l’hydrogène, le débit est k = 1 g.s -1 .
Premier principe.
Exercice 10.
L’état initial d’une mole de gaz parfait est caractérisé par P0 = 2.105 Pa , V0 = 14 L . On fait subir successivement à ce gaz les
transformations réversibles suivantes :
· une détente isobare qui double son volume ;
· une compression isotherme qui le ramène à son volume initial ;
· un refroidissement isochore qui le ramène à l’état initial.
1. A quelle température s’effectue la compression isotherme ? En déduire la pression maximale atteinte.
2. Représenter le cycle de transformations dans le diagramme ( P ,V ) .
3. Calculer les travaux et transferts thermiques échangés par le système au cours du cycle, soient W 1 , W2 , W3 , Q1 , Q2 et Q3 en
fonction de P0 , V0 et g = C
p Cv
= 1,4 (supposé constant dans le domaine de températures étudié).
4. Vérifier DU = 0 pour le cycle.
Exercice 11 : détente quasistatique polytropique d’un gaz parfait.
On considère la détente polytropique d’indice q constant (transformation pour laquelle le volume V et la pression P vérifient P V q =
cte , avec q constante positive, on pourra à ce sujet se reporter à l’exercice 7 de la série 23 ) d’un gaz parfait le menant d’un état
( P1 , V1 , T1 ) à un état ( P2 , V2 , T2 ) avec V2 > V1 . On pose g = C
p Cv
(supposé constant).
Pour quelles valeurs du coefficient q , la détente du gaz s’accompagne-t-elle :
1. d’absorption de chaleur et d’échauffement du gaz ?
2. d’absorption de chaleur et de refroidissement du gaz ?
Exercice 12 : transformation adiabatique.
Un gaz parfait passe d’un état ( P1 , V1 , T1 ) à un état ( P2 , V2 , T2 ) suivant une transformation adiabatique.
On pose g =
Cp Cv
(supposé constant).
1. Montrer que, s’il existe une suite continue d’états d’équilibre thermodynamiques internes au cours de la transformation, la pression
P et le volume V du gaz sont reliés par : P V g = cte.
2. Le gaz est comprimé et passe de la pression P1 à la pression P2 = 2 P1 . Calculer le travail échangé par le gaz et le milieu extérieur en
fonction de P1 , V1 et g .
Données : P1 = 1 bar , V1 = 1 dm3 et g = 1,4 .
Nathalie Van d e Wiele - Physique Sup PCSI - Lycée les Eucalyptus - Nice
Série d’exercices 25
3
Exercice 13 : étude du cycle de Lenoir.
Un des premiers moteurs à combustion interne fonctionne de la manière suivante :
· l’air et le carburant sont admis dans le cylindre ; à la fin de la phase d’admission, l’air se trouve dans l’état A ( P1 , V1 , T1 ) ;
· la combustion du carburant (phase d’explosion) provoque une augmentation brutale de la pression à volume constant et fournit un
transfert thermique Q1 ; à la fin de la phase, les gaz résiduels sont dans l’état B ( P2 , V1 , T2 ) ;
· ils se détendent ensuite de manière adiabatique jusqu'à l’état C ( P1 , V2 , T3 ) , les paramètres étant en permanence connus (état
d’équilibre thermodynamique interne) ;
· enfin, les gaz s’échappent du cylindre à la pression constante P1 et un nouveau cycle recommence.
En négligeant la quantité de matière de carburant liquide, on assimilera l’air et les gaz brûlés à un gaz parfait dont le coefficient g
(rapport des capacités thermiques à pression constante et à volume constant) vaut g = 1,4 .
1. Représenter, dans le diagramme de Clapeyron, le cycle de transformations A B C A des gaz (air ou gaz brûlés) dans le cylindre.
2. Calculer le travail W échangé par une mole de gaz au cours du cycle en fonction de g et des températures T1 , T2 et T3 .
3. Le rendement r de ce moteur est par définition :
r =
Travail fourni par le moteur
Transfert thermique reçu par legaz pendant la combustion du carburant
.
Calculer ce rendement, d’abord en fonction de g , T1 , T2 et T3 , puis en fonction de g et du rapport des volumes a = V
V
2 1
.
Calculer r pour a = 4 .
Exercice 14.
L’enceinte ( E ) , adiabatique et de volume constant V , est initialement vide. On ouvre
le robinet R , et le gaz de l’atmosphère extérieure, de pression constante P , vient
remplir l’enceinte ( E ) jusqu'à ce que la pression y soit égale à P . Calculer l’énergie
interne U du gaz de l’enceinte dans l’état final en fonction de son énergie interne U0
et du volume V0 qu’il avait initialement dans l’atmosphère.
Exercice 15 : détente de Joule-Gay Lussac.
Un gaz vérifiant l’équation de Van der Waals possède l’énergie interne :
U = n C
V,m T -
n a
V
U
2
+ 0
n représente la quantité de matière, a est une constante caractéristique du gaz, CV ,m est la capacité thermique molaire à volume
constant, supposée indépendante de T dans le domaine de température considéré et U0 est une constante additive ( l’énergie interne,
comme l’énergie potentielle d’interaction entre particules, est définie à une constante additive près).
Initialement, ce gaz se trouve dans les conditions suivantes : P1 = 105 Pa (très proche de la pression atmosphérique) et T1 = 293 K .
Au cours de la détente Joule-Gay Lussac, le volume du gaz double. Calculer la variation de température DT correspondante.
On donne : C
V,m = 5R/2 ; a = 0,14 J.m3.mol-2 .