Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

Première loi de la thermodynamique

Première loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique a été annoncée par Julius Robert von Mayer en 1841. C'est le principe de la conservation de l'énergie.

Définition de la première loi de la thermodynamique: L'énergie totale d'un système isolé n'est ni créée ni détruite, elle reste constante. L'énergie ne se transforme que d'un type à l'autre. Lorsqu'une classe d'énergie disparaît, une quantité équivalente d'une autre classe doit être produite.

Un corps peut avoir une certaine vitesse avec ce qui a de l'énergie cinétique. Si vous perdez la vitesse perd cette énergie cinétique est transformée en un autre type d'énergie, l'énergie potentielle soit (si vous achetez haut), l'énergie thermique (en cas de friction qui fait chaud), etc.

Le même principe s'applique à l'énergie solaire photovoltaïque et à l'énergie thermique solaire. Les atomes des particules qui forment le Soleil contiennent de l'énergie, par le biais d'une réaction nucellaire, cette énergie est transformée en rayonnement. Le rayonnement solaire qui atteint la Terre est capté par des panneaux solaires photovoltaïques ou des capteurs thermiques, qui transforment cette énergie en énergie électrique (photovoltaïque) ou en chaleur (thermique).

Maintenant, voyons comment de telles conclusions ont été atteintes.

Les machines à vapeur et la première loi de la thermodynamique

Le développement de la machine à vapeur a impliqué le début de l'élaboration de la première des lois de la thermodynamique. C'est la première fois qu'une transformation thermodynamique a lieu pour convertir l'énergie thermique en énergie mécanique.

Machine à vapeur Les premières machines à vapeur ou machines thermiques ont été développées pour la première fois à l'époque romaine. Les Romains ont construit le premier appareil utilisant la vapeur pour fonctionner. Cette machine à vapeur consistait en un ballon creux soutenu par un pivot de sorte qu'il pouvait tourner autour d'une paire de moignons, l'un d'eux creux. Par ladite souche, de la vapeur pouvait être injectée, qui s'échappait du ballon vers l'extérieur par deux tubes pliés et orientés tangentiellement dans des directions opposées et placés aux extrémités du diamètre perpendiculaire à l'axe du ballon. Lorsque la vapeur était expulsée, le ballon réagissait à cette force et tournait autour de son axe.

À partir de ce moment, un grand nombre de machines à vapeur ont été construites et utilisées à des fins diverses. L'une des utilisations des machines à vapeur était d'utiliser une pompe à eau pour faire monter l'eau dans les habitations et la distribuer dans leurs pièces ou pour soulever des poids à travers un cylindre et un piston. Les machines à vapeur peu à peu ont été utilisées pour un plus grand nombre d'utilisations à mesure que leur efficacité augmentait.

Le développement et le raffinement se sont poursuivis jusqu'à ce que la machine à vapeur devienne la machine habituelle pour la navigation maritime et le transport terrestre (locomotives), réalisant des pressions de vapeur très élevées et des vitesses de piston considérables. Technologiquement, les machines à vapeur se sont beaucoup améliorées, même si, pour le moment, scientifiquement, leur fonctionnement physique n'a pas été complètement expliqué.

L'idée principale des machines à vapeur est de convertir la quantité maximale d'énergie thermique en un autre type d'énergie: le travail mécanique. Pour le moment, il n'y avait pas d'explication scientifique, mais entrer dans le dix-neuvième siècle, à travers l'expérimentation, commence à comprendre sa signification.

Les expériences de Rumford

Rumford, en 1798 effectue une expérience qui consistait en un cylindre en bronze utilisé pour un foret en acier tranchant. Ce foret a été forcé contre le fond du cylindre et le cylindre a été tourné sur son axe au moyen d'une machine de forage exploitée avec des chevaux. Le cylindre et le foret ont été placés dans une boîte hermétique remplie d'eau à température ambiante. Après avoir utilisé l'appareil pendant un certain temps, la bouteille et l'eau ont été chauffées, ce chauffage a continué jusqu'à ce que l'eau ait bouilli.

Cela impliquait que l'eau était chauffée sans utiliser de feu, uniquement par le travail (du cylindre).

Les études décisives qui ont conduit à établir l'équivalence entre le travail mécanique et la chaleur ont été faites en 1840 par James Joule en Grande-Bretagne. Ces études ont été inspirées par les travaux de Rumford.

Les expériences de Joule

James Prescott Joule

James Joule a proposé un dispositif consistant en un arbre rotatif avec une série d'aubes tournant entre quatre jeux d'aubes fixes. Le but de ces pagaies était de remuer le liquide placé dans l'espace libre entre elles. L'arbre était relié par un système de poulies et de cordes très fines à une paire de masses de poids connu.

Expérience Joule

L'expérience consistait à enrouler la corde en maintenant les masses sur les poulies jusqu'à ce qu'elles soient placées à une certaine hauteur sur le sol. En faisant tomber les masses, la tige tourne à son tour, ce qui génère à son tour une rotation des bras tournants en agitant le liquide contenu dans le récipient. Ce processus a été répété vingt fois et la température finale du liquide agité a été mesurée. Les parois du conteneur étaient hermétiques et constituées d'un bois très épais simulant un mur adiabatique.

Après une répétition minutieuse, Joule a conclu que la quantité de chaleur produite par le frottement entre les corps, qu'il soit liquide ou solide, est toujours proportionnelle à la quantité de travail mécanique fournie.

Leurs expériences ont été répétées dans différentes substances, les valeurs obtenues à partir de la tabulation puissance mécanique (représenté par une masse tombante par une certaine distance), pour élever la température d'un volume connu de substance.

La première loi de la thermodynamique

Les résultats obtenus par Joule montrent que pour les systèmes isolés de leur extérieur et auxquels la même quantité d'énergie mécanique est fournie de différentes manières, le changement observé dans le système est le même. Dans cette expérience, le changement est enregistré par la variation de la température du système.

Il est important de noter que dans ces expériences, le système ne bouge pas, son énergie cinétique est nulle, il ne bouge pas par rapport au niveau du sol, son énergie potentielle reste constante et le système a absorbé une certaine quantité d'énergie. On appelle cette énergie l'énergie interne du système. Ces expériences servent à étendre cette observation à tous système thermodynamique et postulat que: si un système isolé, nous fournissons une certaine quantité de W d'énergie mécanique, elle provoque une augmentation de l'énergie interne du système U, le montant U si Quoi:

Équation 1

Cette égalité stipule que l'énergie est appliquée au système isolé, est la définition de l'énergie interne U. L'existence de ce montant pour tout système est le postulat connu comme la première loi de la thermodynamique.

Si des expériences de Joule ou des expériences similaires sur d'autres systèmes ont été réalisées sans prendre la précaution d'isoler le système de son environnement, notons que:

Équation 2

L'exemple le plus simple nous est ce qui se produit lorsque le chauffage de la même quantité de substance utilisée par Joule, mais le mettre directement à la chaleur jusqu'à ce que la même variation de température en prenant des précautions pour qu'aucun autre changement des propriétés, nous concluons que la même énergie fourni par W dans les expériences de Joule est maintenant fourni par le feu, soit une quantité d'énergie thermique Q. clairement l'énergie manquante dans l'équation ci-dessus est due à la perte de chaleur provoquée par le flux de chaleur système à l'extérieur, en raison de ses différences de température.

Alors nous pouvons écrire:

Équation 3

C'est-à-dire que l'énergie est conservée dans tout processus si la chaleur est prise en compte, en comprenant par le processus le mécanisme par lequel un système change ses variables ou ses propriétés thermodynamiques.

En résumé, on peut dire que la formulation mathématique de la première loi de la thermodynamique, l'équation précédente, contient trois idées connexes:

  • L'existence d'une fonction énergétique interne.
  • Le principe de conservation de l'énergie
  • La définition de la chaleur comme énergie en transit
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Références

Dernier examen: 25 septembre 2016