Physique · Thermodynamique

Transformations, chaleur et travail

Comment un gaz échange-t-il de l'énergie avec l'extérieur ? Par le travail d'un piston et par la chaleur. Un seul dessin, le diagramme pression-volume, permet de lire les deux.

Une transformation fait passer un gaz d'un état à un autre. Quatre cas simples servent de briques : à température constante (isotherme), à pression constante (isobare), à volume constant (isochore) et sans échange de chaleur (adiabatique). Dans tous les cas, le premier principe tient le compte de l'énergie.

ΔU = W + Q

ΔU : variation d'énergie interne. W : travail reçu par le gaz. Q : chaleur reçue par le gaz. Ce qui entre dans le gaz est compté positivement.

Isotherme : le gaz reste au contact d'un bain à température fixe. Isobare : une masse constante pèse sur le piston libre. Isochore : le piston est bloqué. Adiabatique : le cylindre est isolé.
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Pourquoi le travail est-il une aire ?

Le gaz pousse le piston avec une force F = P·S, où S est la surface du piston. Si le piston avance de dx, le travail de cette force vaut P·S·dx = P·dV. Le travail reçu par le gaz est donc δW = −P·dV, et sur toute la transformation il vaut l'aire sous la courbe, avec un signe.

W = − ∫ P dV
Chaque carreau du fond vaut 20 kPa × 2 L = 40 J, car 1 kPa·L = 1 J. Vert : le gaz reçoit du travail (compression). Rouge : il en fournit (détente).
Le piston a une surface de 100 cm². La flèche représente la force du gaz sur le piston ; elle change d'une position à l'autre.
Force du gaz sur le piston à l'arrivée
Travail reçu, somme de rectangles
Travail reçu, valeur exacte
Écart / écart × n² (presque constant si n est grand)
Carreaux de 40 J pour cette aire
Le gaz
La règle de lecture. On regarde le sens de parcours : vers la gauche (V diminue), le gaz est comprimé, il reçoit du travail et W > 0 ; vers la droite (V augmente), il se détend, il en fournit et W < 0. La valeur absolue est l'aire entre la courbe et l'axe des volumes. Sans changement de volume, il n'y a aucun travail, quelle que soit la pression.

Le même état de départ et le même état d'arrivée, à la même température, peuvent coûter un travail différent. Comprimons un gaz au contact d'un bain à 300 K en posant des masses sur le piston : d'un seul coup, ou petit à petit. Chaque fois, le piston s'arrête quand le gaz équilibre la nouvelle pression extérieure, et le travail vaut −Pext·ΔV.

Courbe bleue : isotherme, le chemin lent idéal. Escalier orange : la pression extérieure réellement subie. Le travail échangé est l'aire sous l'escalier.
Excès de travail selon le nombre d'étapes, en échelle log-log. Vert : pente −1. Point rouge : votre choix.
Travail reçu avec ces étapes
Travail lent idéal nRT·ln(V₁/V₂)
Excès, toujours positif
Entropie créée : excès / T
Aller-retour avec ce nombre d'étapes : travail perdu
Pente log-log mesurée pour N grand
Le travail dépend du chemin. En compression, l'escalier passe au-dessus de l'isotherme : on paie plus que nécessaire. En détente, il passe au-dessous : on récupère moins. Le surplus part en chaleur vers le bain et ne se récupère pas. Seul le chemin très lent, dit réversible, annule cette perte. C'est pourquoi les formules des planches suivantes supposent une transformation très lente, où P est défini à chaque instant.
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Que reçoit le gaz dans chaque transformation ?

Pour un gaz parfait, l'énergie interne ne dépend que de la température : ΔU = n·CV·ΔT. Choisissez une transformation et lancez-la depuis le même état de départ. Les valeurs sont intégrées le long du chemin, puis comparées aux formules.

Trait épais : la transformation choisie. Traits fins : les trois autres, depuis le même point A. Surface colorée : le travail.
La couleur du gaz suit sa température.
Barre vers la droite : entre dans le gaz. Vers la gauche : en sort.
Arrivée : P, V, T
W intégré / formule
Q intégrée / formule
ΔU intégrée / formule
Contrôle : ΔU − W − Q
Ce qui se passe
TransformationReste constantTravail reçu WChaleur reçue QΔU
IsothermeT, donc P·V−nRT·ln(V₂/V₁)−W0
IsobareP, donc V/T−P·(V₂−V₁)n·CP·ΔTn·CV·ΔT
IsochoreV, donc P/T0n·CV·ΔTn·CV·ΔT
Adiabatique réversibleP·Vγn·CV·ΔT0n·CV·ΔT

Avec CV = R/(γ−1) et CP = CV + R = γ·CV (relation de Mayer).

Quatre bilans à retenir. Isotherme : tout le travail reçu ressort en chaleur, et U ne bouge pas. Isochore : pas de travail, toute la chaleur reste dans U. Adiabatique : pas de chaleur, tout le travail reste dans U. Isobare : la chaleur reçue paie à la fois l'échauffement et le travail de détente, d'où CP > CV.
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Pourquoi une pompe à vélo chauffe-t-elle ?

Quand la compression est trop rapide pour que la chaleur ait le temps de partir, le travail reçu reste dans le gaz et sa température monte. Dans une transformation adiabatique réversible d'un gaz parfait, P·Vγ reste constant, ce qui donne aussi T·Vγ−1 constant.

En échelle linéaire. Bleu : isotherme. Violet : adiabatique. Elles passent par le même point A, et l'adiabatique est γ fois plus pentue.
Température finale selon le taux de compression, à partir de 300 K et 1 bar. Courbe : modèle à γ constant. Points : air réel, équations de référence.
T et P après compression
Même compression, isotherme : T et P
Travail à fournir : adiabatique / isotherme, par mole
Rapport des pentes en A, mesuré (doit valoir γ)
Contrôle : P·V^γ au départ / à l'arrivée
Air réel à ce taux, le plus proche du tableau
Pourquoi plus raide ? Une compression isotherme augmente la pression parce que le volume diminue. Une compression adiabatique le fait aussi, et de plus elle chauffe le gaz, ce qui l'augmente encore. Il en coûte plus de travail. Dans un Diesel, la seule compression porterait l'air vers 670 °C d'après les valeurs de l'air réel, assez pour enflammer le gazole sans bougie. Pour de vraies pompes et de vrais moteurs, l'isolation reste imparfaite et ces températures sont un maximum. Le modèle à γ constant surestime la température à forte compression, car la capacité thermique de l'air augmente quand il chauffe.

Pourquoi un piston qui avance chauffe-t-il le gaz ? Parce qu'une molécule qui rebondit sur une paroi en mouvement repart plus vite, comme une balle sur une raquette qui avance. Voici 160 disques durs et un piston qui se déplace à vitesse imposée : aucune formule de thermodynamique n'est programmée, et les parois sont isolantes. À deux dimensions, on attend γ = 2, soit T·V constant.

La couleur du fond suit la température mesurée. Le piston avance ou recule à la vitesse choisie.
T selon V en échelle log-log. Pointillés : T·V constant, la droite de pente −1. Bleu : le trajet mesuré depuis le dernier « Recommencer ».
Température mesurée / prévue pour T·V constant / prévue avec la place des disques, T·(V−N·b) constant
Énergie reçue, chocs comptés un à un / ∫−P dV mesuré
Température après retour au volume de départ / au départ
Lentement, c'est réversible ; vite, ça ne l'est plus. Avec un piston lent, le gaz suit T·V constant et revient à sa température initiale après un aller-retour. Avec un piston rapide, le gaz s'entasse devant lui et chauffe davantage. En détente rapide, une partie des molécules ne rattrape plus le piston : à la vitesse maximale, le gaz fournit environ trois fois moins de travail qu'en détente lente (156 unités contre 506) et refroidit bien moins. Chaque aller-retour rapide laisse donc le gaz plus chaud qu'au départ, ce que le second principe appelle une création d'entropie.
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Comment lire un diagramme pression-volume ?

Chaque point est un état ; chaque courbe, un chemin. On lit la température sur les isothermes, le signe du travail sur le sens de parcours, et le signe de la chaleur par rapport à l'adiabatique qui passe par le point.

Faites glisser l'état, puis tournez la flèche pour choisir une direction de départ. La rosace dit, pour chaque direction, ce que le gaz va faire.

Bleu : isotherme. Violet : adiabatique. Noir : isochore (verticale). Rosace rouge : le gaz reçoit de la chaleur. Rosace bleue : il en cède. Faites glisser le point noir.
État : P, V
Température et énergie interne (γ = 7/5)
Travail reçu W
Température T
Chaleur reçue Q
Pente : isotherme / adiabatique
Le piège le plus instructif. Comprimez le gaz en restant entre l'isotherme et l'adiabatique (bouton « Entre les deux ») : sa température monte, alors qu'il cède de la chaleur. Le travail reçu est plus grand que la chaleur perdue. « Chauffer » un gaz, c'est faire monter sa température ; « lui donner de la chaleur » est un échange d'énergie. Ce ne sont pas la même chose.

Question
Bonnes réponses
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Que peut-on faire d'un chemin qui se referme ?

Dans un cycle, le gaz revient à son état de départ : ΔU = 0 et ΔS = 0. Mais le travail ne s'annule pas : le travail net est l'aire enfermée. Parcouru dans le sens des aiguilles d'une montre, le cycle fournit du travail, c'est un moteur. Dans l'autre sens, il en consomme pour déplacer de la chaleur, c'est un réfrigérateur ou une pompe à chaleur.

Aire colorée : travail net. Trait rouge : le gaz reçoit de la chaleur. Trait bleu : il en cède. Trait gris : aucun échange. En polygone libre, faites glisser les sommets.
Le piston et la couleur suivent le point qui parcourt le cycle.
Le flux de droite montre ce qui entre, ce qui devient travail et ce qui est rejeté.
Sens et rôle
Travail net fourni : somme le long du chemin / aire enfermée
Chaleur reçue / chaleur cédée
Sur le cycle : ΔU et ΔS (doivent être nuls)
Rendement mesuré / formule du cycle
Rendement de Carnot entre T extrêmes
Tout ce que dit une boucle. Sa surface donne le travail, son sens dit si l'on produit ou si l'on consomme, ses portions rouges et bleues disent où entre et où sort la chaleur. Aucun cycle ne dépasse le rendement de Carnot entre ses températures extrêmes. Les valeurs réelles sont bien plus basses : un moteur à essence de rapport 10 rendrait 60 % selon ce cycle idéal, et environ 35 à 40 % en réalité, à cause des frottements, des pertes de chaleur et d'une combustion qui n'est pas instantanée.

Quelques repères

Le travail

W = −∫P dV, l'aire sous la courbe. Positif en compression, négatif en détente, nul à volume constant.

La chaleur

Q se déduit du premier principe : Q = ΔU − W. Elle dépend du chemin, comme le travail. Seule U ne dépend que de l'état.

La lecture

Isothermes pour T, sens de parcours pour W, adiabatiques pour Q, aire enfermée pour le travail d'un cycle.

Pour aller plus loin

D'où vient P·Vγ constant ? Avec δQ = 0, le premier principe donne n·CV·dT = −P·dV. En remplaçant P par nRT/V, on trouve dT/T = −(γ−1)·dV/V. En intégrant, T·Vγ−1 reste constant, et avec P·V = nRT, P·Vγ aussi.

Adiabatique ne veut pas dire isentropique. Sans échange de chaleur, l'entropie peut quand même augmenter si la transformation est irréversible, comme le montre l'aller-retour rapide de la planche 3. La formule P·Vγ = constante vaut seulement pour une adiabatique réversible.

Un seul P pour tout le gaz. L'aire sous une courbe suppose que le gaz a une pression bien définie à chaque instant : c'est la condition d'une transformation lente. Dans une transformation brutale, on utilise la pression extérieure Pext, ce que fait l'escalier de la planche 1.

Les valeurs de γ. La page utilise les valeurs théoriques 5/3, 7/5 et 9/7. Calculées avec les équations d'état de référence à 300 K et 1 bar, elles valent environ 1,667 pour l'hélium, 1,402 pour l'air et 1,293 pour le CO₂.

Le modèle moléculaire. La simulation de la planche 3 est à deux dimensions, où chaque molécule n'a que deux directions de mouvement : d'où γ = 2 au lieu de 5/3. Chaque choc avec le piston est calculé à son instant exact, et les chocs entre disques redistribuent l'énergie entre les directions. Sa taille réduite la rend bruitée. Avec des disques de rayon 0,05, leur place n'est pas tout à fait nulle : c'est la correction b de Van der Waals, avec b = π·d²/2 par disque de diamètre d. Les disques sont dessinés plus gros qu'ils ne sont.

Les cycles idéaux. Le calcul suppose un gaz parfait à γ constant, et des échanges réversibles. Pour Stirling, le rendement affiché ne suppose aucun régénérateur : avec un régénérateur parfait, la chaleur des isochores est recyclée, et le rendement atteint celui de Carnot. Pour Carnot, le taux de compression règle la seule compression isotherme et il est plafonné à 6. Pour Otto et Diesel, si la température maximale choisie est inférieure à celle de fin de compression, l'apport de chaleur devient presque nul : le curseur n'a alors plus d'effet.

Dans la même série, la page Gaz parfaits et gaz réels étudie la surface d'état, et la page Thermodynamique présente le second principe et les changements d'état.