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Thermodynamique détente

Posté par
pierre33
14-10-17 à 21:03

Bonjour,

j'ai une annale mais pas la correction, ça serait pour savoir si les raisonnements sont bons.

On considère un système fait de 2 mol de CO2 gazeux à 25°C et 10
bar, confiné dans un cylindre de section égale à 10 cm². Il est détendu de manière adiabatique contre une pression de 1 bar jusqu'à ce que le piston se soit déplacé de 20cm. En supposant que le gaz est un gaz parfait de capacité calorifique molaire cV = 28.8 J.K−1.mol−1, calculer :
1. La chaleur échangée avec l'extérieur q
2. Le travail échangé w
3. La variation d'énergie interne ∆U
4. La variation de température ∆T
Nous voulons maintenant calculer la variation d'entropie ∆S. Comme l'entropie est une fonction d'état, sa variation ne dépend pas du chemin suivi. On décompose la transformation suivant un chemin facilitant les calculs, c'est à dire, (A) un refroidissement à volume constant jusqu'à Tf et (B) une détente isotherme à Tf .
5. Calculer la variation d'entropie ∆SA associée à la l'étape (A).
6. Calculer la variation d'entropie ∆SB associée à la l'étape (B).
7. En déduire la variation d'entropie ∆S totale.
8. Comparer q/T et ∆S. Quelle relation retrouve-t-on ?
9. Que pouvez-vous en déduire sur cette transformation ? Pouviez-vous vous attendre à ce résultat en comparant la pression à l'intérieur de l'enceinte à la pression extérieure ?
10. A la fin de l'expérience, le système est-il à l'équilibre mécanique ?


1. q=0 car transfo' adiabatique

2. w=-pext\int_{V1}^{V2}{dV}=-pext*\pi*r^2*\Delta h=-1*10^5*10^{-3}*20*10^{-2}=-20J

3. \Delta U=w=-20J

4. \Delta U=\frac{7}{2}nR\Delta T=w \Rightarrow \Delta T=\frac{2w}{7nR}\approx -0.344 K

5. dV=0\Rightarrow dU=TdS\Rightarrow dS=\frac{7nR}{2T}dT\Rightarrow S=\frac{7nR}{2}\ln \frac{Tf}{Ti}\approx -0.067J.K^{-1}

6. dU=0\Rightarrow dS=\frac{nRTf}{VTf}dV\Rightarrow S=nR\ln \frac{Vf}{Vi} \\ Vf-Vi=\Delta V\Rightarrow \frac{Vf}{Vi}=\frac{\Delta V}{Vi}+1\Rightarrow S\approx 0.66J.K^{-1}

7. \Delta S\approx 0.593J.K^{-1}

8. q/T \neq \Delta S \Rightarrow dS\geq q/T

9. Transfo' irréversible.
Oui car p_{enceinte}\neq p_{ext}

10. P_{f}=\frac{nRTf}{Vf}\approx 9.6bar\neq 1bar donc pas d'équilibre mécanique

Merci beaucoup par avance.

Posté par
vanoise
re : Thermodynamique détente 14-10-17 à 22:44

Bonsoir
D'accord avec ce que tu as fait sauf la question 8. Mais tu as des excuses  : elle est particulièrement mal posée pour 2 raisons:
1. L'expression Q/T n'a pas de sens dans la mesure où la température T  du gaz n'est pas définie pour chaque état intermédiaire du gaz puisque l'évolution est irréversible.  De plus, la température finale est différente de la température initiale.
2. Le second principe demande de comparer la variation d'entropie à Q/Te  où Te désigne la température de la source extérieure de chaleur avec laquelle s'effectue le transfert thermique.
Comme ici,  la transformation est adiabatique,  il suffit que la variation d'entropie soit strictement positive pour pouvoir qualifier la transformation d'irréversible.

Posté par
pierre33
re : Thermodynamique détente 14-10-17 à 23:27

Bonsoir,

merci pour ta réponse. J'aurais plusieurs questions.

\Delta S_{sys}=\frac{Q_{rév}}{T} pour une transformation réversible.

Cette équation peut-elle être démontrer ou fait-elle partie du postulat du second principe ?

Citation :
De plus, la température finale est différente de la température initiale.


Je peux utiliser la formule Q/T si la transformation est monotherme ? (je pense que non)

Citation :
Le second principe demande de comparer la variation d'entropie à Q/Te  où Te désigne la température de la source extérieure de chaleur avec laquelle s'effectue le transfert thermique.


Quand j'écris dU=TdS, le T est différent de ton Te ? Car pour la dernière formule, le T représente la température du système non ?

(désolé si mes questions sont basiques, le cours de mon prof' est mauvais et j'ai un peu de mal avec certains concepts)

Posté par
vanoise
re : Thermodynamique détente 15-10-17 à 21:05

Bonsoir
Tu peux commencer si tu veux par lire le bref résumé de cours que j'ai eu l'occasion de poster il y a peu : entropie
Si une transformation est monotherme, l'entropie d'échange s'écrit :

S_{e}=\frac{Q}{T_{e}}
La variation d'entropie du système fermé s'écrit :

\triangle S=S_{e}+S_{c} ou l'entropie créé est strictement positive si la transformation est irréversible et nulle dans le cas limite de la réversibilité. Donc :

Si la transformation est monotherme irréversible :

\triangle S>\frac{Q}{T_{e}}

Si la transformation est monotherme réversible :

\triangle S=\frac{Q}{T} car dans ce cas limite : T=Te au premier ordre près, Te étant une constante.

Citation :
Quand j'écris dU=TdS, le T est différent de ton Te ?

Pas si simple ! Le second principe postule que l'entropie d'un système fermée est une fonction d'état. Imagine, comme ici, une transformation réelle irréversible entre un état 1 et un état 2. Pour calculer la variation d'une fonction d'état entre 1 et 2, tu peux donc imaginer une transformation purement fictive (imaginaire) réversible. Pour peu que l'état initial et l'état final de cette transformation fictive soient les états 1 et 2 réels, la variation de la fonction d'état que tu obtiens par le chemin fictif est la variation réelle. C'est ce que tu as fait ici (sans doute sans très bien comprendre pourquoi) en remplaçant dans ton calcul la transformation réelle par un refroidissement isochore réversible suivi d'une détente isotherme réversible. (manque de précision de l'énoncé !)
Dans de telle évolutions réversible, le système est supposé échanger de la chaleur avec une multitudes de sources extérieures de telle sorte que pour chaque état intermédiaire, la température T du système est égale à la température de la source extérieure en contact avec le système dans cet état... Cela est évidemment impossible à réaliser expérimentalement mais ce n'est pas grave vu ce que j'ai expliqué sur les variations de fonctions d'état. Pour une évolution fictive réversible, tu peux écrire :

dS=\frac{\delta Q}{T}\quad;\quad\triangle S=\intop\frac{\delta Q}{T}
où T est la température du système...
Tout cela n'est pas simple et tu n'est pas aidé par énoncé qui manque de rigueur...

Posté par
pierre33
re : Thermodynamique détente 15-10-17 à 21:51

Super, merci beaucoup.
C'est bien plus clair !



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