La loi zéro de la thermodynamique traite de l’échange d’énergie, principalement sous forme de chaleur, entre les systèmes physiques. Cette loi établit une notion essentielle : le bilan thermique.
L’énoncé formel de la loi zéro de la thermodynamique est le suivant :
Si deux systèmes A et B sont en équilibre thermique avec un troisième système C, alors A et B sont en équilibre thermique l'un avec l'autre.
Cette loi implique que la température est une propriété fondamentale qui peut être mesurée de manière cohérente dans différents systèmes. En établissant que l'équilibre thermique est une condition transitive, la loi zéro permet de définir la température comme une propriété qui peut être assimilée entre différents systèmes, facilitant sa mesure via un appareil de référence (tel qu'un thermomètre).
L'équilibre thermique susmentionné se produit lorsque deux systèmes en contact thermique n'échangent plus d'énergie sous forme de chaleur. Autrement dit, lorsqu’il n’y a pas de différence de température entre deux systèmes, ils atteignent l’équilibre thermique. Si un système A est en équilibre thermique avec un autre système B, et celui-ci à son tour avec un système C, alors A et C seront également en équilibre thermique.
Ci-dessous, nous montrons plusieurs exemples illustrant la loi zéro de la thermodynamique dans des situations quotidiennes et scientifiques :
1. Thermomètre à mercure
L'un des exemples les plus courants de la loi zéro de la thermodynamique est l'utilisation d'un thermomètre pour mesurer la température d'un objet ou d'un environnement. Un thermomètre à mercure traditionnel est constitué d'un tube de verre contenant du mercure à l'intérieur, dont le volume varie en fonction de la température.
Lorsque le thermomètre est placé en contact avec un objet (par exemple, une tasse d'eau chaude), le mercure à l'intérieur du thermomètre se dilate ou se contracte jusqu'à ce que le thermomètre atteigne l'équilibre thermique avec l'objet.
Selon la loi zéro, si le thermomètre et l’eau sont en équilibre thermique, alors la température de l’eau est la même que celle du thermomètre, ce qui permet une mesure précise.
2. Panneaux solaires thermiques
L'énergie solaire thermique est une méthode efficace pour capter l'énergie du soleil et la convertir en chaleur, qui peut ensuite être utilisée pour chauffer l'eau ou l'air, ou même produire de l'électricité.
Dans les systèmes d'énergie solaire thermique, tels que les capteurs solaires d'eau chaude, les panneaux captent le rayonnement solaire et l'utilisent pour chauffer un fluide, généralement de l'eau ou un liquide spécialisé.
Imaginez un système de chauffe-eau solaire. Les panneaux solaires thermiques (système « A ») sont exposés au rayonnement solaire, qui chauffe le fluide à l'intérieur des capteurs. Ce fluide chaud transfère de la chaleur à l'eau froide circulant dans un ballon de stockage (système "B").
Initialement, l’eau du réservoir est à une température plus basse que le fluide des capteurs solaires. Au fur et à mesure de l’échange de chaleur entre les deux, l’eau se réchauffe progressivement.
Selon la loi zéro de la thermodynamique, lorsque l’eau du réservoir atteint l’équilibre thermique avec le fluide chauffé par le soleil, les deux auront la même température et l’échange thermique s’arrêtera.
3. Système de climatisation dans une maison
Les systèmes de chauffage et de climatisation des maisons obéissent également à la loi zéro de la thermodynamique.
Imaginez que vous réglez le thermostat de votre maison à la température souhaitée, par exemple 22°C. Le système de chauffage ou de climatisation s'activera pour augmenter ou diminuer la température de l'air jusqu'à ce que la température dans toutes les pièces atteigne la valeur réglée sur le thermostat.
Dans ce cas, le thermostat fait office de système de référence « C » et les pièces de la maison seraient les systèmes « A » et « B ». Lorsque toutes les pièces sont en équilibre thermique avec le thermostat, c'est-à-dire lorsqu'elles atteignent toutes la température programmée, elles sont également en équilibre thermique entre elles.
4. Refroidir une boisson au réfrigérateur
Un autre exemple quotidien est celui de refroidir une boisson dans un réfrigérateur. Imaginez que vous mettiez une canette de soda à température ambiante dans le réfrigérateur dont la température interne est réglée à 5°C. Le réfrigérateur fait office de système de froid (système « C »), tandis que la canette de soda est le système « A ». Au fil du temps, la canette transfère la chaleur à l’air froid du réfrigérateur jusqu’à ce qu’elles atteignent toutes deux l’équilibre thermique, c’est-à-dire la même température.
Selon la loi zéro, une fois que la boisson atteint 5°C, elle sera en équilibre thermique avec le réfrigérateur et aucun autre transfert de chaleur ne se produira. À ce stade, la température de la canette et celle du réfrigérateur sont les mêmes.
5. Moteur à combustion interne
Dans le contexte de l’ingénierie et de la technologie, la loi zéro s’applique également au fonctionnement d’un moteur à combustion interne. Pendant le fonctionnement du moteur, différentes parties du système, telles que le bloc moteur et le radiateur, doivent gérer de grandes quantités de chaleur.
Le radiateur, par exemple, est chargé de refroidir le moteur pour éviter toute surchauffe. Le liquide de refroidissement à l’intérieur du radiateur échange de la chaleur avec le moteur chaud jusqu’à ce que les deux atteignent l’équilibre thermique. De cette manière, la température du moteur est maintenue dans une plage de fonctionnement sûre.
6. Processus de refroidissement industriel
Dans l’industrie, notamment dans la fabrication de produits chimiques ou alimentaires, le contrôle de la température permet de garantir la qualité et la sécurité des produits.
Par exemple, dans la pasteurisation du lait, le lait est chauffé à une température spécifique pour tuer les bactéries, puis rapidement refroidi à une température sans danger pour la consommation.
Pendant le processus de refroidissement, le lait chaud entre en contact avec des plaques de métal froides. Au fur et à mesure que le lait transfère la chaleur aux assiettes, il refroidit et atteint l’équilibre thermique avec les assiettes.
Ici, la loi zéro de la thermodynamique garantit qu'à la fin du processus, le lait et les plaques auront la même température, permettant un contrôle précis des conditions du processus.
7. Bain-marie en cuisine
Un bain-marie est une technique culinaire utilisée pour chauffer lentement des aliments sans risque de les brûler ou de les surchauffer.
La méthode consiste à placer un récipient contenant des aliments au-dessus d’un autre contenant de l’eau chaude. Au fur et à mesure que l'eau transfère la chaleur vers le récipient supérieur, les aliments atteignent un équilibre thermique avec l'eau, lui permettant de rester à une température constante sans la dépasser.
Dans ce cas, le système « C » est de l'eau chaude, qui est en équilibre thermique avec le récipient « A » contenant les aliments. La loi zéro de la thermodynamique garantit que, si l'eau et le récipient sont en équilibre thermique, alors les aliments seront également en équilibre thermique avec l'eau, maintenant ainsi une cuisson contrôlée et uniforme.
8. Thermostat d'aquarium
Le contrôle de la température dans les aquariums est essentiel pour la santé des poissons et des plantes qui y vivent.
Un thermostat immergé à l’intérieur de l’aquarium permet de mesurer et de réguler la température de l’eau. Le thermostat est en contact direct avec l'eau et ajuste le chauffage ou le refroidissement pour maintenir la température appropriée.
Selon la loi zéro, le thermostat atteint l'équilibre thermique avec l'eau de l'aquarium. À mesure que la température du thermostat se stabilise, nous pouvons en déduire que toute l'eau de l'aquarium est à la même température que celle affichée sur l'appareil, permettant ainsi aux animaux et aux plantes de rester dans un environnement contrôlé et sain.
9. Le corps humain et le climat extérieur
Le corps humain est très sensible aux changements de température et utilise des mécanismes tels que la transpiration ou les frissons pour réguler sa température interne. Imaginez qu'une personne entre dans une chambre froide. Au départ, votre corps sera à une température plus élevée que l’air de la pièce, ce qui vous fera commencer à perdre de la chaleur dans votre environnement.
Au fil du temps, le corps et l’air de la pièce atteindront un équilibre thermique, auquel cas la personne ne perdra plus de chaleur dans l’environnement.
Ce phénomène peut être observé lorsque l'on reste dans un endroit froid et que l'on commence à sentir que la sensation de froid se stabilise, puisque l'on a atteint l'équilibre thermique avec l'environnement.
10. Échangeurs de chaleur dans les centrales électriques
Dans les centrales électriques telles que les centrales nucléaires ou les centrales conventionnelles, les échangeurs de chaleur sont des dispositifs qui transfèrent de l'énergie thermique entre des fluides.
Un exemple typique est l’utilisation d’un fluide chaud qui transfère sa chaleur à un fluide froid sans que les deux n’entrent en contact direct. Ceci est essentiel dans les processus industriels pour récupérer de l’énergie et augmenter l’efficacité.
La loi du zéro s'applique dans ce cas lorsque les deux fluides atteignent l'équilibre thermique au sein de l'échangeur. Une fois que les deux fluides ont égalisé leurs températures, l’échange thermique cesse. Ce bilan thermique est crucial pour garantir le fonctionnement efficace et sûr des systèmes de production et de distribution d’électricité.
11. Cafetière électrique et tasse à café
Enfin, nous proposons l'exemple d'une cafetière électrique et d'une tasse à café.
Imaginez que vous préparez une tasse de café à l’aide d’une cafetière électrique. Lorsque vous versez du café chaud dans une tasse en céramique à température ambiante, il y aura dans un premier temps un échange thermique entre le café et la tasse. Le café chaud transfère la chaleur à la tasse la plus froide et les deux finiront par atteindre l’équilibre thermique.
La loi zéro se manifeste ici car, une fois que le café et la tasse ont cessé d’échanger de la chaleur, ils sont en équilibre thermique, c’est-à-dire qu’ils ont tous deux la même température. Si vous aviez un thermomètre, vous pourriez mesurer cette température finale, sachant que la tasse et le café sont en équilibre thermique.