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Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

Thermodynamique

Thermodynamique

La thermodynamique est la branche de la physique qui étudie les effets des changements de température, de pression et de volume d'un système physique (un matériau, un liquide, un ensemble de corps, etc.), à un niveau macroscopique. La racine "thermo" signifie chaleur et dynamique se réfère au mouvement, donc la thermodynamique étudie le mouvement de la chaleur dans un corps. La matière est composée de différentes particules qui se déplacent de manière désordonnée. La thermodynamique étudie ce mouvement désordonné.

L'importance pratique réside fondamentalement dans la diversité des phénomènes physiques qu'elle décrit. Par conséquent, la connaissance de cette diversité a conduit à une énorme productivité technologique.

Qu'est-ce que la thermodynamique étudie?

En thermodynamique, les interactions entre différents systèmes thermodynamiques sont étudiées et classées.

Un système thermodynamique est caractérisé par ses propriétés, liées les unes aux autres par des équations d'état. Ceux-ci peuvent être combinés pour exprimer l'énergie interne et les potentiels thermodynamiques, utiles pour déterminer les conditions d'équilibre entre les systèmes, les processus spontanés et l'échange d'  énergie avec leur environnement.

Les principaux éléments dont nous disposons pour votre étude sont:

Avec ces outils, la thermodynamique décrit comment les systèmes réagissent aux changements de leur environnement. Cette étude s'applique souvent aux gaz. Dans ce cas, les gaz idéaux sont souvent discutés.

Qu'est-ce qu'un gaz idéal?

Un gaz idéal est un gaz théorique composé d'un ensemble de particules ponctuelles à déplacement aléatoire, qui n'interagissent pas entre elles, c'est-à-dire que les particules qui le composent n'échangent pas d'  énergie.

Le concept de gaz idéal est utile car il se comporte selon la loi du gaz idéal, une équation d'état simplifiée, et qui peut être analysée à l'aide de la mécanique statistique.

Dans des conditions normales telles que des conditions normales de pression et de température, la plupart des gaz réels se comportent qualitativement comme un gaz idéal.

Quelles sont les lois de la thermodynamique?

Les principes de la thermodynamique ont été énoncés au cours du XIXe siècle, qui régulent les transformations thermodynamiques, leurs progrès, leurs limites. En fait, ce sont de vrais axiomes basés sur l'expérience sur laquelle repose toute la théorie.

Plus précisément, trois principes de base peuvent être distingués, plus un principe «zéro» qui définit la température et qui est implicite dans les trois autres.

Principe zéro de la thermodynamique

La loi zéro de la thermodynamique stipule que lorsque deux systèmes en interaction sont en équilibre thermique, ils partagent certaines propriétés, qui peuvent être mesurées en leur donnant une valeur numérique précise. Par conséquent, lorsque deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, ils sont en équilibre l'un avec l'autre et la propriété partagée est la température.

Premier principe thermodynamique

La première loi de la thermodynamique stipule que lorsqu'un corps entre en contact avec un autre corps relativement plus froid, une transformation se produit qui conduit à un état d'équilibre dans lequel les températures des deux corps sont égales.

Le premier principe est donc un principe de conservation de l'énergie. Dans chaque machine thermique, une certaine quantité d'énergie est transformée en travail: il ne peut pas y avoir de machine qui produit du travail sans consommer d'énergie.

En bref, le premier principe thermodynamique est traditionnellement énoncé comme suit: La variation de l'énergie interne d'un système thermodynamique fermé est égale à la différence entre la chaleur fournie au système et le travail effectué par le système dans l'environnement.

Deuxième principe thermodynamique

Il existe plusieurs énoncés de la deuxième loi de la thermodynamique, tous équivalents, et chacune des formulations met l'accent sur un aspect particulier. Premièrement, il déclare qu '"il est impossible de fabriquer une machine cyclique qui a pour seul résultat de transférer la chaleur d'un corps froid à un corps chaud" (déclaration de Clausius). Par conséquent,  le transfert de chaleur passe toujours du corps chaud au corps froid.

D'autre part, on peut également affirmer, de manière équivalente, qu '"il est impossible de réaliser une transformation dont le résultat n'est que de convertir la chaleur prélevée d'une source unique en travail mécanique" (déclaration de Kelvin).

Troisième principe de la thermodynamique

Le troisième principe des lois de la thermodynamique est étroitement lié à ce dernier, et dans certains cas, il est considéré comme une conséquence de ce dernier. En ce sens, on peut dire en disant qu '"il est impossible d'atteindre le zéro absolu avec un nombre fini de transformations" et fournit une définition précise de la quantité appelée entropie.

De plus, la troisième loi de la thermodynamique stipule également que l'entropie pour un solide parfaitement cristallin, à la température de 0 kelvin est égale à 0.

Concepts associés

Dans l'étude de la thermodynamique, différents concepts apparaissent qui doivent être connus:

Qu'est-ce qu'un système thermodynamique?

Un système thermodynamique fait référence à une zone limitée utilisée pour la recherche thermodynamique et fait l'objet de la recherche. L'espace extra-atmosphérique du système thermodynamique est appelé l'environnement de ce système.

Les limites d'un système séparent le système de son extérieur. Cette limite peut être réelle ou imaginaire, mais le système doit être limité à un espace limité. Le système et son environnement peuvent transférer à la limite de la matière, du travail, de la chaleur ou d'autres formes d'énergie.

Qu'est-ce qu'un cycle thermodynamique?

Un cycle thermodynamique est un circuit de transformations thermodynamiques effectuées dans un ou plusieurs dispositifs destinés à obtenir du travail à partir de deux sources de chaleur à des températures différentes, ou inversement, à produire, par l'apport du travail, le passage de la chaleur du source de température plus basse à température plus élevée.

L'objectif d'un cycle thermodynamique est d'obtenir du travail à partir de deux sources thermiques à des températures différentes, par exemple, dans une installation d'énergie solaire thermique. Le travail obtenu est généralement utilisé pour produire du mouvement ou pour produire de l'électricité.

La performance est le paramètre principal qui caractérise un cycle thermodynamique. La performance thermique d'un cycle thermodynamique est définie comme le travail obtenu divisé par la chaleur dépensée dans le processus.

Quelles sont les propriétés thermodynamiques?

Les propriétés thermodynamiques sont les propriétés qui définissent et interviennent dans l'état thermodynamique d'un système. La thermodynamique se caractérise par un état d'équilibre dans lequel la pression, le volume, la température et la composition sont présents.

Ces propriétés peuvent être classées comme extensives ou intensives. Parmi ces propriétés, nous trouvons l'énergie interne, l'entropie, l'enthalpie, la chaleur, la température, la pression, le volume, etc.

Que signifient les performances thermiques?

La performance ou l'efficacité thermique d'une machine thermique est un coefficient ou rapport sans dimension calculé comme le quotient de l'énergie produite (en un cycle de fonctionnement) et de l'énergie fournie à la machine (afin qu'elle puisse terminer le cycle thermodynamique). Il est désigné par la lettre grecque η

Selon le type de machine thermique, le transfert de ces énergies se fera sous forme de chaleur, Q, ou de travail, W.

En 1824, le physicien français Sadi Carnot déduit l'efficacité thermique d'une machine thermique idéale en fonction de la température de ses réservoirs chauds et froids:

Thermodynamique

où:

Th est la température du réservoir chaud;
Tc est la température du réservoir froid.

En conclusion, l'équation de performance thermique indique que des niveaux d'efficacité plus élevés sont obtenus avec un gradient de température plus élevé entre les fluides chauds et froids. En pratique, plus le fluide est chaud, plus le rendement du moteur est élevé.

À quoi sert la thermodynamique?

La thermodynamique peut être appliquée à une grande variété de sujets scientifiques et techniques, tels que les moteurs, les transitions de phase, les réactions chimiques, les phénomènes de transport et même les trous noirs.

Voici quelques exemples de certaines de leurs applications:

  • La nourriture. La cuisine chaude est un exemple constant de transformations chimiques à travers des processus thermodynamiques.
  • Science des matériaux. Dans ce cas, les procédés thermiques sont utilisés pour obtenir de nouveaux types de matériaux aux propriétés chimiques et physiques bien définies.
  • Applications industrielles. Dans le monde industriel, il existe de nombreux processus qui transforment les matières premières en produits finis en utilisant des machines et de l'énergie. Un exemple est l'industrie de la céramique où de longs fours tunnels brûlent des briques à des températures supérieures à 800 degrés Celsius.
  • L'architecture. Dans le domaine de la construction, il est très important de prendre en compte les transferts thermiques entre l'extérieur et l'intérieur de la maison. Dans l'architecture bioclimatique, la thermodynamique joue un rôle fondamental, de sorte que tous les aspects de l'énergie solaire passive sont étudiés en détail.
  • Production d'électricité. Dans toutes les centrales thermiques ( combustibles fossiles, centrales nucléaires ou solaires), ces concepts sont utilisés pour entraîner des turbines à vapeur et des générateurs électriques.

L'étude thermodynamique est d'une grande importance dans le cas de l' énergie solaire thermique car ce type d'installation solaire est basé sur l'échange thermique.

En fin de compte, les résultats thermodynamiques sont essentiels pour d'autres domaines de la physique et de la chimie, du génie chimique, du génie aérospatial, du génie mécanique, de la biologie cellulaire, du génie biomédical et de la science des matériaux, pour n'en nommer que quelques-uns.

Qu'est-ce que l' énergie solaire thermodynamique?

Cette application de l'énergie solaire est un système technologique qui tire parti de la différence entre la température du liquide dans les panneaux solaires (en l'occurrence les panneaux thermodynamiques) et la température ambiante.

Dans l'énergie solaire thermodynamique, les panneaux solaires transportent un liquide de refroidissement à très basse température. Le liquide de refroidissement, en contact avec la température ambiante, subit un processus thermodynamique d'échange thermique tant que la température extérieure n'est pas inférieure à celle du liquide de refroidissement.

L'avantage de ce système est que l' énergie thermique peut également être générée la nuit, par mauvais temps, pluie, vent, etc.

Références

Auteur :

Date de publication : 15 juin 2016
Dernier examen : 18 avril 2020