La thermodynamique est la branche de la physique qui décrit les effets des changements de température, de pression et de volume d'un système physique à un niveau macroscopique. Cette branche de la physique qui se concentre sur l'étude des transformations énergétiques, notamment en ce qui concerne la chaleur et le travail.
La matière est composée de différentes particules qui se déplacent de manière désordonnée. Selon la définition de la thermodynamique, cette science n'étudie pas le comportement de chaque particule mais étudie plutôt le comportement global de toutes ces particules.
Cette science permet de comprendre de nombreux phénomènes naturels et technologiques, de l’efficacité d’une machine au fonctionnement du climat et du métabolisme des êtres vivants.
Qu'étudie la thermodynamique ?
La thermodynamique physique étudie la façon dont l'énergie est transformée et transférée sous forme de chaleur et de travail entre différents systèmes. Il s’agit de comprendre comment ces transferts affectent la matière, notamment en termes de température, de pression et de volume. Les principes fondamentaux de la thermodynamique sont organisés en 4 lois fondamentales.
Cette branche de la physique étudie le comportement de l'énergie et la manière dont elle passe d'une forme à une autre, notamment en relation avec la chaleur et le travail. Pour ce faire, il analyse les propriétés des systèmes physiques et comment les variations de température, de pression et de volume influencent ces systèmes. Outre les lois fondamentales, la thermodynamique est appliquée à divers processus et technologies, tels que la création de moteurs thermiques, de réfrigérateurs et de systèmes de chauffage.
Lois de la thermodynamique
Les principes de la thermodynamique régulent les transformations liées à la chaleur, leur déroulement et leurs limites. En fait, ce sont de véritables axiomes basés sur l’expérience sur lesquels repose toute la théorie.
Concrètement, trois principes de base peuvent être distingués, plus un principe « zéro ».
Loi Zéro
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 attribuant une valeur numérique précise. Par conséquent, lorsque deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, ils sont en équilibre entre eux et la propriété commune est la température.
La première loi
La première loi stipule que lorsque deux corps à des températures différentes sont en contact, un transfert de chaleur se produit jusqu'à un état d'équilibre. Dans ce nouvel état, les températures des deux corps sont égales.
Le premier principe est le principe de conservation de l’énergie qui dit que l’énergie ne peut être créée ou détruite ; cela ne fait que se transformer.
La deuxième loi
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que la chaleur circule toujours d’un objet chaud vers un objet froid et qu’il n’est pas possible de créer un moteur thermique efficace à 100 %. C'est ce qu'on appelle le principe d'impossibilité d'une machine à mouvement perpétuel du deuxième type.
De plus, la deuxième loi introduit le concept d’entropie, qui mesure le degré de désordre dans un système. L'entropie a toujours tendance à augmenter dans un système isolé.
La troisième loi
La troisième loi indique qu’il est impossible d’atteindre le zéro absolu avec un nombre fini de transformations et donne une définition précise de la grandeur appelée entropie.
De plus, la troisième loi stipule également que l’entropie d’un solide parfaitement cristallin, à une température de 0 kelvin, est égale à 0.
Systèmes thermodynamiques
Un système thermodynamique est une partie spécifique de l’univers que nous choisissons d’étudier et d’analyser du point de vue de la thermodynamique. Ce système est séparé de son environnement par des frontières, qui peuvent être réelles (comme les parois d'un conteneur) ou imaginaires (comme une frontière définie uniquement pour les besoins de l'étude).
L’environnement est tout ce qui est extérieur au système et qui peut interagir avec lui.
Les limites du système sont cruciales car elles déterminent la manière dont le système peut échanger de l'énergie et de la matière avec son environnement. Par exemple, ces frontières peuvent permettre le passage de la chaleur, du travail ou même de la matière, selon le type de système que nous analysons.
Cycles thermodynamiques
Un cycle thermodynamique est une série de processus par lesquels un système thermodynamique passe d'un état initial, passe par plusieurs changements d'état, et revient finalement à l'état initial. Ces cycles sont effectués dans des appareils tels que des moteurs et des réfrigérateurs, dans le but de convertir l'énergie thermique en travail utile, ou vice versa.
Le principal paramètre évalué dans ces cycles est la performance thermique. L'efficacité thermique (η) est calculée comme le travail obtenu divisé par la chaleur fournie
Propriétés thermodynamiques
Les propriétés thermodynamiques sont les caractéristiques qui décrivent l'état et le comportement d'un système thermodynamique à tout moment d'un cycle. Ces propriétés nous permettent d'étudier comment un système interagit avec son environnement et comment il évolue à mesure que de l'énergie lui est appliquée sous forme de chaleur ou de travail. Ces propriétés se répartissent en deux grandes catégories : intensives et extensives :
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Propriétés intensives : Celles-ci ne dépendent pas de la quantité de matière présente dans le système. Des exemples de propriétés intensives comprennent : la température, qui mesure la chaleur ou le froid d'un système, la pression, qui représente la force exercée par le système par unité de surface, et la densité, qui est la masse par unité de volume.
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Propriétés étendues : Celles-ci dépendent de la quantité de matière dans le système. Des exemples de propriétés étendues incluent la masse (quantité de matière dans le système), le volume (espace occupé par le système) ou l'énergie interne (la somme de toutes les énergies des molécules du système).
Certaines propriétés, comme l'entropie et l'enthalpie, peuvent être plus abstraites :
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Entropie : Mesure le désordre ou le caractère aléatoire des particules dans un système. Plus l’entropie est grande, plus le désordre est important.
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Enthalpie : C'est la somme de l'énergie interne et le produit de la pression et du volume du système. Il représente le contenu énergétique total utile dans un système pour effectuer un travail à pression constante.
Utilisation et applications
Ci-dessous, nous énumérons quelques exemples de certaines de ses applications :
- Dans la cuisson des aliments.
- Dans l'industrie automobile, la plupart des moteurs sont des moteurs thermiques.
- En science des matériaux pour obtenir de nouveaux types de matériaux possédant des propriétés chimiques et physiques bien définies.
- Applications industrielles pour transformer des matières premières en produits finis en utilisant des machines et de l'énergie.
- Dans la conception architecturale, les transferts thermiques entre l’extérieur et l’intérieur de l’habitation sont pris en compte, notamment dans l’architecture bioclimatique et l’énergie solaire passive.
- Production d'électricité dans des centrales thermiques où les processus thermodynamiques permettent de convertir la chaleur en électricité.