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correction exercice thermodynamique

Posté par
pull
07-03-18 à 15:50

bonjour, voici le titre de mon exercice: transformation cyclique d'un gaz parfait (système fermée)
et voici son énoncé: 1 mole de gaz parfait diatomique subit le cycle de transformation suivant:
-à partir des conditions normales p0=1bar=10^5pa et T0=273K, un chauffage isobare fait tripler son volume; la température est alors T1
-une compression isotherme lui fait retrouver son volume initial; sa pression est alors p1
-un refroidissement isochore le ramène à l'état initial
représenter ce cycle sur un diagramme de clapeyron et exprimer au cours de chaque étape les variations d'énergies interne, d'enthalpie du gaz et la chaleur qu'il reçoit. calculer ces mêmes quantités pour le cycle complet.
voici mes résultats:
-étape 1 (chauffage isobare):variation enthalpie delta H=4795,77J; travail=-4600J;chaleur=4833,94J variation énergie interne delta U=233,94J
-étape 2 (compression isotherme): variation enthalpie delta H=0J; travail=7581,1J; chaleur=-7581,1J variation énergie interne delta U=0J
-étape 3 (refroidissement isochore): variation delta enthalpie H=4795,77J; travail=0J;chaleur=variation d'énergie interne delta U=233,94J
total:variation enthalpie delta H=9591,54J;travail=2981,1J; chaleur=-2513,22J; variation énergie interne delta U=467,88J
cv(molaire)=0,42J/MOL*K;cp(molaire)=8,61J/mol*k
confirmez vous mes résultats ?
et aussi y'a t-il une astuce pour vérifier soit même ses résultats ?
merci d'avance

Posté par
vanoise
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 16:33

Bonjour
Je veux bien t'aider mais avant de vérifier les applications numériques, j'aimerais que tu précises les valeurs de Cp et Cv molaires. Elles me paraissent irréalistes.
Pour un gaz parfait diatomique :
Cpm=7R/2

Posté par
vanoise
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 16:35

J'ai cliqué trop tôt :

C_{pm}=\frac{7R}{2}\quad;\quad C_{vm}=\frac{5R}{2}

Posté par
vanoise
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 17:29

Autre remarque : U et H sont des fonction d'état : la somme des trois variations d'énergie interne et la somme des trois variations d'enthalpie doivent être toutes deux nulles puisque l'évolution est cyclique.

Posté par
pull
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 18:21

coucou, j'ai convertit les volumes en m^3
pour cv molaire je trouvais 0,42 J/mol*K
pour cp molaire, je trouvais 8,61 J/mol*k

veux tu que je te montre les démarches du calcul de cp et cv molaire ?
d'autre part, pourquoi la somme des 2 fonctions d'état doit être nul?
NB: je pense que mon erreur est du aux bornes d'intégration, normalement on intégre en prenant la borne supérieur comme étant celle correspondant à l'état final et la borne inférieur est celle correspondant à l'état initial non ?

Posté par
vanoise
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 18:39

Les valeurs numériques des capacités thermiques molaires n'ont rien à voir avec le choix de l'unité de volume ! De plus, le rapport \gamma=\frac{C_{pm}}{C_{vm}} est une valeur caractéristique de l'atomicité du gaz ; il vaut 1,4 pour un gaz diatomique.
Pose ton calcul si tu veux pour qu'il soit possible de trouver tes erreurs.
Comme déjà dit, tes résultats sont incompatibles avec le fait que U et H sosnt deux fonctions d'état.

Posté par
pull
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 19:11

oui, tu as raison je m'était trompé de sens des bornes d'intégration pour l'étape 3. je trouve les même valeurs que précédement mais avec des signes négatifs pour l'étape 3, ce qui fait que la somme des variations d'énergie interne et d'enthalpie devienne nuls.
si ça ne te dérange pas je vais briévement dérouler ma démarches pour cp et cv molaires
afin de trouver l'erreur.
de la relation de meyer, on a cp molaire-cv molaire=R
=\frac{cp molaire}{cv molaire}] et cp molaire= R+cv molaire
on a:cv molaire=\frac{R}{\gamma -1} \    or,  pour un gaz diatomique et en fonction de cv molaire, =\frac{5}{2}R. après simplification et en insérant les valeurs numérique, on a: cv molaire=cv molaire=\frac{2R}{(5-2R)}=\frac{2*8,314}{(5*8,314)-2}=0,42 J/mol*K
pour cp molaire, l'expression finale est:cp molaire=\frac{\gamma *R}{(\gamma -1)}=\frac{\frac{7}{2}R*R}{\frac{7}{2}R-1}=\frac{7R^2}{7R-2}=\frac{7*(8,314)^2}{(7*8,314)-2} (après simplification et mise au même dénominateur) de plus pour un gaz diatomique et en fonction de cp molaire, =\frac{7}{2}R
d'ou, cp=8,61 J/mol*k
remarque tu des erreurs dans le raisonement ?

Posté par
vanoise
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 19:24

Tu commets de nombreuses erreurs et tes formules ne sont pas toutes homogènes : additionner un simple nombre à R... Cela ne se fait pas ! Je refais rapidement le raisonnement à partir de la relation de Mayer et de la définition de \gamma :

C_{pm}-C_{vm}=R=C_{vm}.\left(\gamma-1\right)

C_{vm}=\frac{R}{\gamma-1}\quad;\quad C_{pm}=\frac{\gamma.R}{\gamma-1}

Pour un gaz diatomique parfait : \gamma=\frac{7}{5} ; après calcul simple, on obtient les valeurs que je t'ai fournies :

C_{vm}=\frac{5R}{2}\quad;\quad C_{pm}=\frac{7R}{2}

Posté par
pull
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 19:32

sur mes exemple j'ai mis au fait R et -1 au même dénominateur
puis j'ai remonté 1/2 au numérateur. pouvez vous par exemple me montrer la démarche à suivre sur une erreur que j'aurais comise ?

Posté par
vanoise
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 19:38

C_{vm}=\frac{R}{\gamma-1}=\frac{R}{\frac{7}{5}-1}

Je multiplie tous les termes par 5 pour faire disparaître la fraction :

C_{vm}=\frac{5R}{7-5}=...

Posté par
pull
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 19:42

pour les gamma, on remplace juste le gamma par la valeur des coefficients ?
c'est l'absence du R au dénominateur qui me perturbe ....

Posté par
vanoise
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 19:47

Une capacité thermique molaire a même dimension physique que R. Sinon, la relation de Mayer n'aurait pas de sens !

Posté par
pull
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 19:54

donc si je reprends ce que tu as dit l'expression de cv est cv molaire=\frac{5}{2}R et cp molaire = \frac{7}{2}R. effectivement du point de vue d'une équation au dimension, ces expressions coincides avec les unités de cp et cv molaires.
dans ce cas pour trouver la valeur de gamma, dois je remplacé cp et cv molaire par leurs expressions ?
gamma est il constant pour un gaz parfait monoatomique et pour un gaz parfait diatomique ?

Posté par
pull
re : correction exercice thermodynamique 07-03-18 à 21:01

merci beaucoup, j'ai pu retrouvé de bons résultats et retomber sur des propriété interessante comme:
1ere loi de joule, delta U=Q(à volume constant), pour une transformation isochore bien sur
et 2e loi de joule, delta H=Q (à pression constante) pour une transformation isobare bien sur
mes nouvelles données sont:
cp molaire=29,099 J/mol*k et cv molaire=20,785 J/mol*K
étape 1: delta U=11577,245 J; delta H=16208,143 J (en utilisant la 2e loi de joule) ou 16177,245 J = QP de la même façon, travail=-4600J
étape 2: delta U=0J=delta H=0J, travail=7581,1 J et Q=-7581,1 J
étape 3: delta U=-11577,245J=QV; delta H=-16208,143J ou -16177,245 J en fonction de la méthode utilisé. travail=0J
total:travail=2981,1J; Q=-2981,1J delta H=delta Q=0J

merci beaucoup vanoise, travaillez avec toi et très bénéfique pour s'améliorer

Posté par
vanoise
re : correction exercice thermodynamique 08-03-18 à 14:48

Merci pour les compliments. C'est vrai qu'aider les étudiants de manière progressive en tenant compte de leurs difficultés est plus profitable que de "balancer" un simple corrigé pas nécessairement adapté à l'étudiant !
Je viens de vérifier tes calculs.
Je pense que tu as bien compris la méthode. J'obtiens sensiblement la même chose que toi, aux arrondis de calculs près.
A propos d'arrondis : la méthode la plus rigoureuse consiste à faire tous les calculs intermédiaires sans arrondir puis à arrondir le résultat final en fonction de la précision des données. Lorsque, comme ici, les données sont fournies avec des précisions très différentes, je conseille d'arrondir systématiquement à trois chiffres significatifs les résultats. J'insiste : ne pas arrondir les calculs intermédiaires car trop d'arrondis successifs pourraitent finir par nuire à la précision.
En choisissant R=8,314J.K-1.mol-1, le calcul de U lors de la première étape conduit à 11348,61J ; j'arrondis à 11,3kJ.
Pour le cycle complet, j'obtiens :
W=-Q=2,94kJ.

Posté par
pull
re : correction exercice thermodynamique 08-03-18 à 22:02

sans problème je vais appliquer tes conseils
merci beaucoup



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