Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

La thermodynamique

La 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 que la chaleur et la dynamique se rapportent 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 en désordre.

L'importance pratique réside principalement dans la diversité des phénomènes physiques qu'il décrit. Par conséquent, la connaissance de cette diversité a entraîné une énorme productivité technologique.

Etude de la thermodynamique

Les principaux éléments à étudier en thermodynamique sont les suivants:

Les lois de la thermodynamique. Ces lois définissent la manière dont l'énergie peut être échangée entre systèmes physiques sous forme de chaleur ou de travail.

Entropie L'entropie est une magnitude qui peut être définie pour n'importe quel système. En particulier, l'entropie définit le désordre dans lequel les particules internes qui composent la matière se déplacent.

Enthalpie L'enthalpie est une fonction d'état du système physique considéré. En réalité, la première loi de la thermodynamique, selon l'enthalpie, prend la forme dQ = dH - Vdp, c'est-à-dire que la quantité de chaleur fournie à un système sert à augmenter l'enthalpie et à effectuer un travail externe - Vdp.

En thermodynamique, les interactions entre différents systèmes thermodynamiques sont étudiées et classées, ce qui conduit à la définition de concepts tels que les systèmes thermodynamiques et leur environnement. Un système thermodynamique est caractérisé par ses propriétés thermodynamiques, liées les unes aux autres par les 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 et les processus spontanés.

Avec ces outils, la thermodynamique décrit comment les systèmes réagissent aux changements de leur environnement.

Lois de la thermodynamique

Les principes de la thermodynamique ont été énoncés au XIXe siècle, lesquels régulent les transformations thermodynamiques, leur progression, leurs limites. En réalité, ce sont de vrais axiomes basés sur l'expérience sur laquelle repose toute la théorie de la thermodynamique.

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

Principe zéro

La loi zéro de la thermodynamique stipule que lorsque deux systèmes en interaction se trouvent 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 commune est la température.

Premier principe

La première loi de la thermodynamique stipule que lorsqu'un corps entre en contact avec un autre corps relativement plus froid, il se produit une transformation 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 y avoir de machine qui produit du travail sans consommer de l'énergie.

En bref, le premier principe thermodynamique est traditionnellement affirmé 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

Il existe plusieurs énoncés de la deuxième loi de la thermodynamique, tous équivalents, et chacune des formulations met l'accent sur un aspect particulier. En premier lieu, il déclare qu '"il est impossible de fabriquer une machine cyclique ayant pour seul résultat de transférer la chaleur d'un corps froid à un corps chaud" (déclaration de Clausius).

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

Troisième principe

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

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

Performance thermique

L'efficacité thermique d'une machine thermique est un coefficient ou rapport sans dimension calculé comme le rapport de l'énergie produite (dans un cycle de fonctionnement) et de l'énergie fournie à la machine (pour qu'elle parvienne à 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 déduisit l'efficacité thermique d'une machine thermique idéale en fonction de la température de ses réservoirs chauds et froids:

efficacité thermodynamique

où:

Th est la température du réservoir chaud; 
Tc est la température du réservoir d'eau froide.

En conclusion, l'équation de l'efficacité thermique suggère 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 l'efficacité du moteur est grande.

Applications de 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.

L'étude de la thermodynamique revêt une grande importance dans le cas de l'énergie thermique solaire, car ces types d'installations solaires reposent sur l'échange de chaleur.

En bref, 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.

Evolution historique de la thermodynamique

Initialement, des développements technologiques, tels que des machines à vapeur ou des thermomètres, ont été réalisés de manière empirique. Mais ce n'est qu'au 19ème siècle que des scientifiques comme Carnot et Joule ont officialisé leurs résultats et déterminé les causes théoriques de leur fonctionnement.

En fait, la thermodynamique a commencé à être étudiée afin d'accroître l'efficacité des premiers moteurs à vapeur.

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Références

Dernier examen: 20 septembre 2019