Thermodynamique: Chaleur, Énergie et Transformations

Substances Pures

Calcul de la Chaleur Nécessaire pour Transformer la Glace en Vapeur

Figure 1

Formules pour calculer la chaleur (Q) à chaque étape du processus :

• Q1 = m * Cn * ΔT (Chaleur pour chauffer la glace jusqu'à 0°C)
  m : masse d'eau
  Cn : chaleur spécifique de la glace
• Q2 = ff * m (Chaleur de fusion de la glace)
  ff : chaleur latente de fusion pour la glace
• Q3 = C * m * ΔTC (Chaleur pour chauffer l'eau de 0°C à 100°C)
  C : 1 kcal/kg°C
• Q4 = vv * m (Chaleur de vaporisation de l'eau)
  vv : 540 kcal/kg = 970 BTU/lbm
• Q5 = M * Cv * ΔV (Chaleur pour chauffer la vapeur)
  Cv : 0,45 kcal/kg°C

Exemple: Transformation de 200g de glace à -10°C en vapeur à 120°C à 760 mmHg. Chaleur spécifique de la glace : 0,5 cal/g°C. Chaleur spécifique de la vapeur : 0,45 cal/g°C.

Développement:

1. Chauffer la glace à 0°C : Q1 = 200g * 0,5 cal/g°C * 10°C = 1000 cal
2. Fondre la glace : Q2 = 200g * 80 kcal/kg = 16000 cal
3. Chauffer l'eau de 0°C à 100°C : Q3 = 200g * 1 cal/g°C * 100°C = 20000 cal
4. Vaporiser l'eau : Q4 = 200g * 540 cal/g = 108000 cal
5. Chauffer la vapeur de 100°C à 120°C : Q5 = 200g * 0,45 cal/g°C * 20°C = 1800 cal

Chaleur totale : Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 146800 cal

Qualité de la Vapeur

• x = masse de vapeur / masse totale (Qualité de la vapeur)
• y = masse liquide / masse totale (Humidité)

Figure 2

• Vf = volume spécifique du liquide saturé
• Vg = volume spécifique de la vapeur
• Vfg = Vg - Vf
• V = volume spécifique à tout point du processus de vaporisation

V = Vf + x * Vfg

h = hf + x * hfg

u = uf + x * ufg

s = sf + x * sfg

v = vf + x * vfg

Principes de la Thermodynamique

La thermodynamique est la science des changements d'énergie. Un système thermodynamique est une partie de l'univers. Les systèmes sont classés comme ouverts, fermés ou isolés.

Les variables thermodynamiques peuvent être extensives ou intensives. Les fonctions d'état sont des variables dont la valeur ne dépend que de l'état actuel du système.

Un processus thermodynamique est une transformation d'un état d'équilibre initial à un état d'équilibre final. Les processus peuvent être réversibles ou irréversibles.

Premier Principe de la Thermodynamique

ΔU = Q + W (Variation d'énergie interne = Chaleur + Travail)

Convention de signes : Q > 0 et W > 0 (flux vers le système), Q < 0 et W < 0 (flux depuis le système).

• Processus isotherme (T = constante) : Q = -W
• Processus adiabatique (Q = 0) : ΔE = W
• Processus isochore (ΔV = 0) : ΔU = QV
• Processus isobare (P = constante) : QP = ΔH

L'enthalpie standard de réaction (ΔH°) est l'enthalpie pour des réactifs et produits à l'état standard.

L'enthalpie standard de formation (ΔH°f) est l'enthalpie de formation d'une mole de substance à partir de ses éléments à l'état standard.

Loi de Hess: L'enthalpie d'une réaction est la somme des enthalpies des réactions intermédiaires.

Entropie et Second Principe

L'entropie (S) mesure le désordre moléculaire. Elle augmente avec le désordre.

Second Principe: L'entropie de l'univers augmente pour un processus spontané.

L'entropie molaire standard (S°) est l'entropie d'une mole à 1 atm et 25°C.

Troisième Principe

L'entropie d'une substance cristalline pure est nulle au zéro absolu.