MAROC ZAIN ACADEMY Learn • Train • Succeed

Entropie & Second principe CPGE.

“`html
COURS 15 • PHYSIQUE CPGE

Évoluer.
Dissiper. Irréversibilité.

Le second principe donne un sens aux transformations thermodynamiques. Il introduit l’entropie, distingue réversibilité et irréversibilité, et fixe les limites fondamentales des machines thermiques.

1. POURQUOI UN SECOND PRINCIPE ?

Le premier principe ne suffit pas à prévoir le sens d’évolution.

Le premier principe exprime la conservation de l’énergie. Mais il n’interdit pas, à lui seul, qu’une tasse de café froide se réchauffe spontanément au contact d’une pièce plus froide.

Le second principe introduit une contrainte supplémentaire : certaines transformations compatibles avec l’énergie sont pourtant impossibles spontanément.

2. ENTROPIE

Une fonction d’état thermodynamique.

L’entropie S est une fonction d’état. Sa variation entre deux états ne dépend donc que des états initial et final.

ΔS = S₂ – S₁

Unité SI :

J·K⁻¹
3. BILAN ENTROPIQUE

Échange plus création.

ΔS = Séchangée + Scréée

avec :

Scréée ≥ 0

Pour une transformation réversible :

Scréée = 0

Pour une transformation irréversible :

Scréée > 0
MZA ENTROPY ENGINE

Six réflexes pour tout bilan entropique.

01SYSTÈME
02ÉTATS
03ÉCHANGES
04ΔS
05CRÉATION
06SENS
4. ENTROPIE ÉCHANGÉE

Échange thermique avec une source thermostatique.

Pour un échange thermique Q avec un thermostat à température constante Te :

Séchangée = Q/Te

Q est compté positivement s’il est reçu par le système.

5. CAS RÉVERSIBLE

Pas de création interne d’entropie.

Pour une transformation réversible :

dS = δQrev/T

Cette relation permet de calculer une variation d’entropie en choisissant un chemin réversible fictif entre deux états.

Comme S est une fonction d’état, le chemin réel peut être irréversible : on peut néanmoins calculer ΔS à l’aide d’un chemin réversible commode.
6. GAZ PARFAIT — VARIATION D’ENTROPIE

Une formule fondamentale.

Pour n moles d’un gaz parfait à capacités thermiques constantes :

ΔS = nCV,m ln(T₂/T₁) + nR ln(V₂/V₁)

On peut également écrire :

ΔS = nCP,m ln(T₂/T₁) – nR ln(P₂/P₁)
7. ISOTHERME D’UN GAZ PARFAIT

Une expression très simple.

Si T est constante :

ΔS = nR ln(V₂/V₁)

ou :

ΔS = -nR ln(P₂/P₁)
8. ISOCHORE D’UN GAZ PARFAIT

Le volume ne change pas.

ΔS = nCV,m ln(T₂/T₁)
9. ISObare D’UN GAZ PARFAIT

La pression reste constante.

ΔS = nCP,m ln(T₂/T₁)
10. ADIABATIQUE RÉVERSIBLE

Transformation isentropique.

Pour une transformation adiabatique réversible :

δQ = 0
et :
Scréée=0
donc :
ΔS = 0

Une adiabatique réversible est donc isentropique.

11. ADIABATIQUE IRRÉVERSIBLE

Attention au piège classique.

Adiabatique signifie seulement :

Q = 0

Mais si la transformation est irréversible :

ΔS = Scréée > 0
Réflexe concours : adiabatique ne veut pas dire isentropique, sauf si la transformation est également réversible.
12. DÉTENTE LIBRE

Un exemple majeur d’irréversibilité.

Un gaz parfait se détend dans le vide d’un volume V₁ vers un volume V₂>V₁.

Pour un système isolé idéalement :

Q=0
W=0
donc :
ΔU=0

Pour un gaz parfait, T reste alors constante.

Mais :

ΔS = nR ln(V₂/V₁) > 0

Toute l’augmentation d’entropie est créée intérieurement.

13. CONTACT THERMIQUE ENTRE DEUX CORPS

La chaleur s’écoule spontanément du chaud vers le froid.

Deux corps à températures différentes sont mis en contact dans une enceinte isolée.

L’énergie totale se conserve, mais l’entropie totale augmente :

ΔStotal > 0

jusqu’à l’équilibre thermique.

14. SYSTÈME ISOLÉ

Forme essentielle du second principe.

Pour un système isolé :

Séchangée = 0
donc :
ΔS = Scréée ≥ 0

L’entropie d’un système isolé ne peut pas diminuer spontanément.

15. MACHINE THERMIQUE

Transformer une partie de la chaleur en travail.

Une machine thermique cyclique échange typiquement :

  • une chaleur Qchaud avec une source chaude ;
  • une chaleur Qfroid avec une source froide ;
  • un travail W avec l’extérieur.

Sur un cycle :

ΔU = 0
donc :
W + Qchaud + Qfroid = 0
16. RENDEMENT D’UN MOTEUR

Quelle part de la chaleur reçue devient du travail utile ?

Pour un moteur thermique :

η = Wutile/Qchaud,reçu

avec :

0 < η < 1

Aucune machine cyclique ne peut transformer intégralement en travail la chaleur reçue d’une seule source thermique.

17. MACHINE DE CARNOT

La limite théorique de performance.

Pour une machine réversible fonctionnant entre une source chaude Th et une source froide Tc :

ηCarnot = 1 – Tc/Th

Les températures doivent être exprimées en kelvins.

Le rendement de Carnot dépend uniquement des températures des deux sources.
18. INÉGALITÉ DE CLAUSIUS

Une autre écriture du second principe.

Pour un cycle :

∮ δQ/T ≤ 0

L’égalité correspond à un cycle réversible.

19. RÉVERSIBILITÉ

Un idéal utile mais exigeant.

Écarts infinitésimaux

Les échanges doivent se faire sous des différences infinitésimales de température, pression ou potentiel.

Pas de dissipation

Pas de frottement, viscosité dissipative, effet Joule non compensé ou turbulence irréversible.

Évolution quasi-statique

Le système reste arbitrairement proche de l’équilibre.

20. SOURCES D’IRRÉVERSIBILITÉ

Reconnaître ce qui crée de l’entropie.

Frottements

Dissipation mécanique.

Conduction thermique

Échange sous différence finie de température.

Détente libre

Expansion sans pression extérieure opposée.

Effet Joule

Dissipation électrique dans une résistance.

21. EXERCICES PROGRESSIFS

Calculer ΔS puis identifier la création.

NIVEAU 1

Exercice 1 — Chauffage isochore

Une mole de gaz parfait est chauffée à volume constant de T₁ à T₂. Exprimer sa variation d’entropie.

À volume constant, le terme en ln(V₂/V₁) disparaît.
NIVEAU 2

Exercice 2 — Détente isotherme

Un gaz parfait subit une détente isotherme de V₁ à V₂. Déterminer ΔS.

Utilisez ΔS=nR ln(V₂/V₁).
NIVEAU 3

Exercice 3 — Détente libre

Un gaz parfait double son volume par détente libre dans une enceinte isolée. Discuter Q, W, ΔU, ΔT et ΔS.

La transformation est adiabatique, mais fortement irréversible.
NIVEAU PRÉPA

Exercice 4 — Moteur de Carnot

Une machine fonctionne entre Tₕ et T𝚌. Exprimer le rendement maximal théorique.

Le rendement maximal d’une machine réversible dépend uniquement des deux températures absolues.
22. PROBLEM LAB

Mission : moteur thermique réel contre moteur idéal.

Situation

Un moteur thermique reçoit une chaleur Qh d’une source chaude à température Th, rejette une chaleur Qc vers une source froide à Tc et fournit un travail utile. Son rendement réel est inférieur au rendement de Carnot.

Votre mission :

  1. écrire le bilan énergétique sur un cycle ;
  2. définir clairement le rendement du moteur ;
  3. calculer le rendement de Carnot ;
  4. comparer rendement réel et rendement maximal ;
  5. établir le bilan d’entropie du moteur et des sources ;
  6. identifier où apparaît la création d’entropie ;
  7. expliquer pourquoi les frottements diminuent le rendement ;
  8. expliquer l’effet d’une augmentation de Th ;
  9. expliquer l’effet d’une diminution de Tc ;
  10. proposer trois améliorations physiques permettant de rapprocher le système d’un fonctionnement plus réversible.
Commencez par séparer strictement bilan d’énergie et bilan d’entropie. Ils répondent à deux questions différentes.
Procédez dans l’ordre : cycle → premier principe → rendement → Carnot → échanges entropiques → création d’entropie → origine des irréversibilités.
MZA ENTROPY CHECK

Les six réflexes du second principe.

AΔS
BÉCHANGE
CCRÉATION
DRÉVERSIBILITÉ
ECARNOT
FSENS
23. QCM DE VALIDATION

Diagnostic Entropie & Second principe CPGE.

Le score est affiché sans révéler les réponses correctes.

1. Pour une transformation irréversible :
2. Pour une transformation réversible :
3. Une transformation adiabatique irréversible peut vérifier :
4. Pour un système isolé :
5. Le rendement maximal entre Th et Tc vaut :
6. Une détente libre d’un gaz parfait isolé est :
ΔS = Séchangée + Scréée

L’énergie se conserve, mais sa capacité à produire du travail se dégrade.

Le second principe donne le sens des transformations, mesure l’irréversibilité et fixe les limites physiques des moteurs, réfrigérateurs et machines thermiques.

“`