De sa définition, le première principe de la thermodynamique présente trois limitations sur les processus thermodynamiques:
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Nous ne pouvons pas savoir si un processus est réversible ou irréversible.
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Il n'indique pas si la chaleur peut passer d'un corps froid à un corps chaud.
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En pratique, il n'est pas possible de convertir l'énergie thermique en une quantité de travail équivalente.
Avant d'analyser en détail chacune de ces limitations, il est utile de savoir ce qu'établit la première loi de la thermodynamique (ou le principe de conservation de l'énergie):
Que nous dit le première principe de la thermodynamique?
La loi de conservation de l'énergie stipule que la variation de l'énergie totale du système est égale à la différence entre la chaleur fournie ou transmise et la partie fournie ou livrée. L'énergie totale est la somme de l'énergie cinétique, de l'énergie potentielle, de l'énergie interne et d'autres formes d'énergie:
Pour un système isolé thermiquement de l'environnement (système fermé), le théorème sur la conservation de l'énergie totale s'applique:
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L'énergie interne d'un système isolé thermiquement reste constante.
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L'énergie ne peut pas être détruite ou créée, et dans certaines conditions, une forme d'énergie peut être convertie en une autre.
Selon le première principe de la thermodynamique, un mobile perpétuel n'est pas possible, c'est-à-dire une machine qui génère du travail sans lui fournir de travail ou de chaleur et sans apporter de modifications lors du travail.
Limitation 1: Nous ne pouvons pas savoir si un processus est réversible ou irréversible
Un processus est réversible s'il peut se produire dans un sens ou dans l'autre. Par exemple, l'eau peut être congelée et décongelée en échangeant de la chaleur dans un processus thermodynamique dans les deux sens.
D'autre part, la combustion d'un morceau de papier est un processus irréversible. Une fois que le papier a été consommé, il est devenu de la fumée, mais il n'est pas possible de reconvertir la fumée en papier.
L'une des limites de la première loi de la thermodynamique est que l'on ne peut pas savoir si un processus est réversible ou non. En vertu de cette loi, rien ne nous empêcherait de transformer la fumée en papier.
Limitation 2: il n'y a aucune restriction sur le sens du flux de chaleur
Tous les corps ont une certaine énergie à l'intérieur d'eux: l'énergie interne du système. Parfois, cette énergie peut circuler sous forme de chaleur d'un corps à un autre.
L'expérience nous apprend que nous ajoutons de l'eau chaude dans un verre à température ambiante, le verre va chauffer: une partie de l'énergie de l'eau a été transférée au verre sous forme de chaleur. La direction du transfert de chaleur est claire: la chaleur circule du corps chaud vers le corps froid.
Cependant, est-il possible que la chaleur revienne? Est-il possible qu'une partie de l'énergie contenue dans le verre soit transférée à l'eau, chauffant encore plus? Par expérience, nous ne savons pas, mais le premier principe de la thermodynamique ne place aucune restriction sur la direction du transfert d'énergie thermique. En théorie, rien ne nous arrêterait.
Limitation 3: toute l'énergie thermique ne peut pas être convertie en travail
Selon la première principe, l'énergie d'un processus thermodynamique l'énergie totale du système reste constante. Cependant, dans la pratique, cela ne se produit pas et il y a toujours des pertes, en particulier dans les systèmes ouverts.
Par exemple, dans un moteur à combustion, il n'est pas possible de convertir toute l'énergie thermique générée lors de la combustion en travail mécanique.
Selon le théorème de Carnot: "Il ne peut y avoir un moteur thermique qui fonctionnant entre deux sources de chaleur données ait une plus grande efficacité qu'un Carnot qui fonctionne entre ces mêmes sources de chaleur."
Et après ces limitations?
Eh bien, pour résoudre toutes ces limitations du première principe de la thermodynamique, peu à peu les autres lois de la thermodynamique ont émergé.
Le deuxième principe de la thermodynamique établit l'existence de l'entropie en fonction de l'état d'un système thermodynamique. Cette loi introduit le concept de température thermodynamique absolue.
Dans un système isolé, l'entropie reste inchangée ou augmente (dans les processus hors équilibre), atteignant un maximum lorsque l'équilibre thermodynamique est établi.
Enfin la loi zéro de la thermodynamique est apparue, qui stipule que «si deux systèmes qui sont en équilibre thermique avec un troisième système, ils sont également en équilibre l'un avec l'autre». Cette loi était la dernière mais ils l'ont placée avant les autres principes de la thermodynamique.
