Les lois de la thermodynamique sont un ensemble de principes qui régissent le comportement de l’énergie et de la matière en relation avec la chaleur et le travail. Ces lois constituent la base de la thermodynamique et s’appliquent à une grande variété de systèmes physiques, des moteurs thermiques aux processus biologiques et aux phénomènes astrophysiques. Il existe quatre lois universellement acceptées, chacune décrivant les aspects essentiels de la conservation, du transfert et de la dissipation de l’énergie dans les systèmes.
Au fil du temps, ces principes ont été acceptés comme des « lois » en raison de leur validité universelle. Bien que des formulations supplémentaires aient été proposées au cours des dernières décennies, les quatre lois établies restent le cadre fondamental de la thermodynamique. Il est intéressant de noter que la loi zéro a été formulée après les trois autres lois majeures, mais en raison de sa nature fondamentale, la position « zéro » lui a été attribuée.
Ces 4 lois peuvent être exprimées de différentes manières, selon le contexte théorique et pratique dans lequel elles sont appliquées. Cependant, ses formulations les plus courantes sont les suivantes :
Loi zéro : équilibre thermodynamique
La loi zéro stipule que « si deux systèmes thermodynamiques sont en équilibre thermique avec un troisième système, alors ils sont également en équilibre l’un avec l’autre ». Ce principe est essentiel à la définition de la température et permet l'existence des thermomètres et la comparaison des températures entre différents corps. La formulation de cette loi a permis d’établir rigoureusement le concept d’équilibre thermique, état dans lequel il n’y a pas de transfert net de chaleur entre les systèmes en contact.
En termes pratiques, cette loi implique que si un objet A est en équilibre thermique avec un objet B, et que B est en équilibre thermique avec un objet C, alors A et C sont également en équilibre thermique. Ceci est crucial pour une mesure précise de la température et pour définir des échelles de température en physique et en ingénierie.
Première loi de la thermodynamique : Conservation de l'énergie
La première loi de la thermodynamique, également connue sous le nom de loi de conservation de l'énergie, stipule que « l'énergie totale d'un système isolé ne peut être ni créée ni détruite, elle peut seulement être transformée d'une forme à une autre ». Cette loi a de vastes implications dans de nombreux domaines de la science et de la technologie, de l’ingénierie à la biologie.
Un exemple courant de la première loi est un moteur thermique, dans lequel l’énergie chimique du carburant est convertie en énergie thermique, puis en travail mécanique. Mathématiquement, cette loi s'exprime ainsi :
Où:
- ΔU est la variation de l'énergie interne du système,
- Q est la chaleur ajoutée au système,
- W est le travail effectué par le système.
Cette équation reflète le fait que tout changement dans l’énergie interne d’un système est dû au transfert de chaleur ou au travail effectué. En d’autres termes, l’énergie d’un système ne peut être modifiée que par des interactions avec son environnement.
Deuxième loi de la thermodynamique : Entropie et direction des processus
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que « l’entropie de l’univers tend à augmenter ». L'entropie est une mesure du désordre d'un système et cette loi dicte la direction naturelle des processus thermodynamiques. En termes simples, l’énergie se disperse et les systèmes évoluent vers des états de plus grand désordre si aucune contrainte externe n’est appliquée.
Cette loi a plusieurs conséquences importantes :
- Irréversibilité : Certains processus, comme le transfert de chaleur d’un corps chaud à un corps froid, sont spontanés et irréversibles dans des conditions naturelles.
- Efficacité des machines thermiques : Aucune machine thermique ne peut avoir une efficacité de 100 %, car il y aura toujours des pertes d'énergie sous forme de chaleur.
- Évolution de l'Univers : L'augmentation continue de l'entropie suggère que l'univers évolue vers un état d'équilibre thermique final, connu sous le nom de « mort thermique ».
L'énoncé mathématique de la deuxième loi peut être exprimé par l'inégalité de Clausius :
Où est la quantité de chaleur transférée et est la température absolue. Dans les processus irréversibles, l’entropie totale du système et de son environnement augmente.
Troisième loi de la thermodynamique : le zéro absolu
La troisième loi de la thermodynamique stipule que « le zéro absolu ne peut être atteint par un nombre fini de processus physiques ». Le zéro absolu se situe à 0 kelvin (-273,15 °C) et représente la température la plus basse possible. À cette température, théoriquement, les particules d'un système seraient dans leur état fondamental d'énergie minimale et l'entropie atteindrait une valeur constante.
Mathématiquement, la troisième loi peut être exprimée comme :
Où:
- S(T) est l'entropie à une température T ,
- S 0 est l'entropie au zéro absolu (T = 0) ,
- C p est la chaleur spécifique à pression constante.
- T est la température en kelvin.
Cette loi a des implications importantes en physique des matériaux et en cryogénie. Lorsqu'un système se refroidit vers le zéro absolu :
- L'entropie du système est réduite à une valeur minimale.
- Les processus thermiques ralentissent considérablement.
- Certaines substances subissent un phénomène connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein, où un grand nombre d’atomes occupent le même état quantique.
Bien que le zéro absolu soit inaccessible en pratique, la compréhension de cette loi a permis des avancées dans le domaine de la supraconductivité et la création de technologies fonctionnant à des températures extrêmement basses.