Les lois de la thermodynamique sont un ensemble de lois sur lesquelles repose la physique de la thermodynamique. Plus précisément, il s’agit de quatre lois universellement valables lorsqu’elles sont appliquées à des systèmes qui relèvent des restrictions implicites de chacune d’entre elles.
Au fil du temps, ces principes sont devenus des « lois ». Actuellement, quatre lois au total sont énoncées. Au cours des 80 dernières années, certains auteurs ont proposé d’autres lois, mais aucune d’entre elles n’a fait l’unanimité.
Curieusement, la loi zéro a été formulée après avoir énoncé les trois autres lois et est une conséquence de chacune d’elles. Pour cette raison, il a la position 0.
Quelles sont les lois de la thermodynamique ?
Dans les diverses descriptions théoriques de la thermodynamique, ces lois peuvent être exprimées de manières apparemment différentes, mais les formulations les plus marquantes sont les suivantes :
- La loi zéro stipule que « si deux systèmes thermodynamiques sont en équilibre thermique avec un troisième, ils sont également en équilibre entre eux ».
- La première loi stipule que « l’énergie totale d’un système isolé n’est ni créée ni détruite, elle reste constante ».
- La deuxième loi stipule que la quantité d’entropie dans l’univers a tendance à augmenter. De cette loi, il ressort qu’il n’existe pas de rendement à 100 % pour un moteur thermique. Il convient également de noter que tous les processus thermodynamiques ne sont pas réversibles.
- La troisième loi stipule qu'il est impossible d'atteindre une température égale au zéro absolu (0 kelvin).
Loi zéro : loi de l'équilibre thermodynamique
Ce principe est appelé équilibre thermodynamique. Si deux systèmes A et B sont en équilibre thermodynamique et que B est en équilibre thermodynamique avec un troisième système C, alors A et C sont à leur tour en équilibre thermodynamique.
Ce principe est fondamental. Le principe 0 n’a été formellement formulé qu’après l’énoncé des trois autres lois. Il reçoit donc la position 0.
L'équilibre thermodynamique d'un système est défini comme la condition dans laquelle les variables empiriques utilisées pour définir un état du système ont atteint un point d'équilibre. Étant en équilibre, ils ne varient pas dans le temps.
Ces variables empiriques (expérimentales) d'un système sont appelées coordonnées thermodynamiques du système. Entre autres variables empiriques nous avons : la pression, le volume, le champ électrique, la polarisation, la magnétisation, la tension linéaire, la tension superficielle, etc.
Première loi : conservation de l’énergie
La première loi de la thermodynamique postule que l’énergie totale d’un système isolé reste constante ; Il n’est ni créé ni détruit, il se transforme simplement d’une forme à une autre. Par exemple, dans un moteur thermique, l’énergie thermique issue de la combustion est convertie en énergie mécanique.
Cette loi, également connue sous le nom de loi de conservation de l'énergie, stipule qu'en effectuant des travaux sur un système ou en échangeant de la chaleur avec un autre, l'énergie interne du système subira des modifications. En termes plus simples, la loi permet de conceptualiser la chaleur comme la quantité d'énergie qu'un système doit échanger pour équilibrer les écarts entre le travail effectué et l'énergie interne. Antoine Lavoisier a été le pionnier en proposant cette loi thermodynamique fondamentale.
Deuxième loi : principe d'entropie
La deuxième loi de la thermodynamique régit le sens dans lequel les processus thermodynamiques doivent se dérouler et, par conséquent, l'impossibilité qu'ils se produisent dans le sens opposé. Par exemple, le transfert de chaleur peut se produire d’un corps chaud à un corps froid, mais pas l’inverse.
Elle établit également, dans certains cas, l'impossibilité de convertir complètement toute l'énergie d'un type à un autre sans pertes. Par exemple, dans un moteur idéal, la quantité de chaleur fournie est convertie en travail mécanique. Cependant, dans un moteur réel, une partie de la chaleur fournie est perdue.
Cette loi permet de définir l'entropie. La variation de la quantité d'entropie d'un système isolé doit toujours être supérieure ou égale à zéro et n'est égale à zéro que si le processus est réversible.
Les première et deuxième lois sont apparues simultanément dans les années 1850. Elles étaient principalement le résultat des travaux de William Rankine, Rudolf Clausius et William Thomson (Lord Kelvin).
Troisième loi : principe du zéro absolu
La troisième loi de la thermodynamique postule qu’il est impossible d’atteindre une température égale au zéro absolu par un nombre fini de processus physiques. Le zéro absolu se situe à 0 kelvin, équivalent à -273 degrés Celsius, et cette loi, fondamentalement proposée par Walther Nernst , établit des limites fondamentales pour aborder ces conditions extrêmes.
À mesure que la température approche du zéro absolu, l’entropie de tout système tend vers zéro, ce qui implique un ordre maximal et une agitation moléculaire minimale. En d’autres termes, le désordre du système est réduit à son minimum à mesure que la limite thermique la plus basse possible est atteinte.
Ce principe peut également être formulé comme suit : lorsqu’un système spécifique s’approche du zéro absolu, son entropie converge vers une valeur constante spécifique. Cet aspect de la troisième loi de la thermodynamique met en évidence la régularité intrinsèque qui se manifeste dans les systèmes à températures extrêmement basses.