Physique BCPST
THERMODYNAMIQUE | Transformation thermodynamique
Exercice 1 : système ouvert, fermé, isolé
Indiquez si les systèmes suivants sont fermés ou ouverts :
- vous
- la pièce dans laquelle vous vous trouvez (vous inclus)
- une voiture à l’arrêt : distinguer selon que les portières sont ouvertes ou fermées
- une voiture qui roule
- le circuit primaire d’une centrale nucléaire
- la Terre, l’Univers
Réponse
- vous : définissons le système comme tout de qui est à l’intérieur de votre enveloppe corporelle (votre peau) : du moment que vous respirez, que vous transpirez (j’en soupçonne même certains de manger ou boire en lisant ces lignes) il y a échange de matière avec l’extérieur, et vous êtes donc un système ouvert.
- la pièce où vous êtes : si le système est constitué de tout ce qui se trouve à l’intérieur des murs de la pièce (y compris l’air), il ne peut s’agir d’un système fermé que si la pièce est parfaitement hermétique ; comme vous êtes dans la pièce, il faut aussi vous inclure dans le système pour que votre respiration ne soit pas un échange de matière avec l’extérieur. Si on considère le système constitué du seul mobilier, ce système est fermé.
- une voiture à l’arrêt : excluons du système l’air qui se trouve dans la voiture, et considérons donc comme système la carrosserie métallique et les liquides qu’elle contient. Que les portières soient ouvertes ou fermées, c’est bien un système fermé. Il est néanmoins plus prudent de fermer les portières, vous risquez sinon de vous faire faucher votre autoradio, auquel cas le système deviendrait ouvert !
- une voiture qui roule : si nous gardons la même définition du système que précédemment, nous constatons que pendant que la voiture roule, le niveau d’essence diminue, de l’air est aspiré par le filtre à air, et que des gaz d’échappement sortent à l’arrière. On a bien un système ouvert.
- le circuit primaire d’une centrale : en dehors des périodes d’entretien, on espère qu’il n’y a pas de fuite de matière, et c’est donc bien un système fermé.
-
la Terre : reçoit beaucoup d’énergie du soleil, mais échange peu de matière (arrivées de météorites, départ de satellites) : on la considère le plus souvent comme un système fermé. L’Univers est par nature un système fermé, puisque par définition il n’y a pas de système matériel extérieur à l’univers.
Exercice 2 : Équilibre entre deux gaz
Un gaz $A$ est placé dans un compartiment indéformable de volume constant $V_A$. Un gaz $B$ est placé dans un cylindre où la pression est maintenue constante à l’aide d’un piston. Initialement, les températures des gaz sont $T_{A0}$ et $T_{B0}$. On place ces deux systèmes en contact et on suppose la paroi qui les sépare diathermes alors que les autres parois sont calorifugées
1) Déterminer la température finale du système. On ne suppose pas les gaz parfaits.
Réponse
La paroi qui sépare les deux volumes est diathermes, elle permet donc de transporter la chaleur jusqu’à un équilibre.
Or le piston du cylindre où se trouve le gaz B permet de maintenir la pression constante. Dans ce cylindre il y a des constantes : la pression, la quantité de matière, seuls le volume et la température peut varier.
Deux cas de figure se pose alors :
-Si $T_{A0}>T_{B0}$
Alors la chaleur se déplace du cylindre A vers le cylindre B, ponctuellement la température en B augmente ce qui a pour effet d’augmenter la pression en B, le piston entre en jeu et augmente le volume pour garder la pression constante. Au final le pression reste constante, le volume augmente et la température en B ne bouge pas. On aura donc un transfert de chaleur de A vers B jusqu’à ce que la température en A atteigne celle en B.
-Si $T_{A0}<T_{B0}$
Alors la chaleur se déplace du cylindre B vers le cylindre A, ponctuellement la température en B diminue, ce qui a pour effet de diminuer la pression en B. Le piston entre en jeu et diminue le volume B pour garder la pression constante. Au final le pression reste constante, le volume diminue et la température en B continue de diminuer jusqu’à atteindre la température en A.
