Notes de cours de Physique de l’atmosphère rédigées par Enrico Torlaschi THERMODYNAMIQUE AUTOMNE TABLE DES MATIÈRES 1 REVISION DES CONCEPTS DE BASE.. 1. 1 Système……….. OF48 1. 2 propriétés . p g 1. 3 1. 4 État d’un système 1. 5 Température et équilibre thermique 2 1. 6 Système international d’unités de mesure. 1. 7 Variables d’état et fonction d’état 3 1. 7. 2 Constante universelle des gaz . 4 1. 7. 3 Mélange de gaz parfaits . 1. 8 Air atmosphérique 5 1. 8. 1 Air sec 7 1. 8. 2 Vapeur 1. 8. 3 Air humide.
Température virtuelle 2 CONSERVATION DE L’ÉNERGIE. 9 2. Notion de travail d’expansion ou de compression 2. 2 L’énergie interne.. 10 2. 2. 1 Énergie interne d’un système de particules.. 2. 3 Notion de chal 2 48 particules…. 2. 3 Notion de chaleur 12 2. 4 Le premier principe. Enthalpie 2. 5 Chaleurs spécifiques.. 13 2. 5. 1 Gaz idéaux 14 2. 6 Chaleur latente 15 2. 7 procédés adiabatiques . 16 2. 7. 1 Définition de parcelle d’air…. 2. 7. 2 Équations de Poissons 17 2. 7. 3 Température potentielle 18 3 ENTROPIE . 3 48 . 18 19 3. Limitations aux transformations d’énergie………. . 3. 2 Entropie 3. 3 Le deuxième principe (DPT) — 21 3. Usage conjoint du PPT et du DPT.. 22 3. 5 Entropie d’un gaz idéal . 23 4 LES SYSTÈMES AIR-EAU… 24 4. 1 Équation d’état pour la vapeur d’eau 4. 2 Transition de phase de l’eau 4. 3 Notion de sursaturation…….. 27 4. 4 Humidité dans l’air.. 4 8 4. 4 Humidité dans 28 44. 1 Rapport de 4. 4. 2 Humidité spécifique . 29 4. 4. 3 Humidité relative…… 30 4. 5 propriétés de l’air humide sous-saturé. 5 FORMATION DES GOUTTELETTES DE NUAGE.. . 1 Énergie libre de Gibbs — 32 5. 2 Nucléation 33 5. 2. 1 calcul de . 34 5. 2. 2 Formule de s 8 Kelvin… . 35 5. 2. 3 Taux de nucléation 38 5. 2. 3. Application numérique 40 5. 3 Nucléation hétérogène… 5. 3. 1 Les noyaux de condensation dans l’atmosphère. 5. 3. 1. 1 Classification selon la taille 41 5. 3. 1 Particules 5. 3. 2 Particules solubles . 45 5. 3. 3 Noyaux 47 5. 4 Les noyaux de condensation dans l’atmosphère…. TABLE DE CONSTANTES PHYSIQUES…… 6 8 PHYSIQUES… 49 1 RÉVISION DES CONCEPTS DE BASE 1. Système Système: Toute quantité de matière confinée dans un volume défini par une surface fermée. Matière [Ouvert Système I Fermé Énergie {Isolé Pour décrire les propriétés thermodynamiques de l’atmosphère, l’on convient de la onsidérer constituée de parcelles d’air dont le volume, caractérisant un système thermodynamique, peut modifier sa forme et sa valeur à la suite d’interactions avec son environnement. 1. 2 Propriétés Suivant la nature du système thermodynamique, des paramètres macroscopiques mesurables peuvent être définis. Extensif (dépend de la qu 8 e substance) caractérisé par le fait que les quantités caractéristiques du système dans un tel état sont constantes dans le temps. On peut déplacer le système de son état d’équilibre en modifiant les conditions de son interaction avec le milieu extérieur. Toute modification des conditions d’interaction du système avec son environnement constitue un procédé thermodynamique. un procédé thermodynamique est appelé réversible si, au cours de celui-ci, tous les états intermédiaires caractérisant le système sont des états de quasi-équilibre.
Un procédé thermodynamique est irréversible si, au cours de celui-ci, le système se trouve dans un état sensiblement distinct d’un état d’équilibre. Il existe une propriété scalaire universelle appelée température caractéristique de l’état d’équilibre de tout système thermodynamique. L’égalité des températures de deux systèmes en contact l’un avec l’autre est une condition nécessaire pour que ceux-ci soient en équilibre (Équilibre thermique ou Loi zéro de la thermodynamique). Kelvin Echelles de température Icelsius : t(0C) Fahrenheit : tCF) 9 t(0C) + 32 1. 6 Système international d’unités de mesure e système international d sure, SI, comprend sept 4E Température Mole Quantité de matière Candela cd Intensité lumineuse Préfixes du système international d’unités Préfixe Multiples déca hecto kilo méga giga téra péta exa zetta Symbole Facteur da 100 101 k 48 oles, M la masse molaire, m la masse du gaz, R * la constante universelle des gaz, R la constante spécifique des gaz pour l’espèce considéré.
Définissant a le volume spéc•fique ( a = Wrn) et p la densité du gaz (p = mN), on obtient que . pa=RT, Dans un gaz idéal, la théorie cinétique suppose que Les molécules se déplacent de façon aléatoire, et le même nombre de molécules se déplace dans chaque direction; Aucune force à distance s’exerce entre les molécules; Les collisions entre les molécules sont élastiques; La somme des volumes des molécules est négligeable par rapport au volume que le gaz occupe. 0 8
