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Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

Processus isotherme

Processus isotherme

Le processus isotherme est une transformation thermodynamique à température constante. Il s'agit d'une variation de l'état d'un système physique au cours de laquelle la température du système reste constante.

Puisque l'énergie interne d'un gaz idéal ne dépend que de la température et, dans un processus isotherme, reste constante en expansion, la chaleur prélevée au foyer est égale au travail effectué par le gaz: Q = W . Selon la première loi de thermodynamique.

Les thermostats sont des dispositifs qui peuvent maintenir une valeur de température constante dans ce type de processus thermodynamique.

La loi de Boyle décrit la transformation isotherme d'un gaz parfait. «La pression exercée par une force chimique est inversement proportionnelle à la masse gazeuse, tant que sa température reste constante. (Si le volume augmente, la pression diminue et si le volume diminue, la pression augmente). »

Le processus isobare est le même mais en maintenant la pression constante. 

Exemples de processus isothermes

Les processus isothermes peuvent se produire dans tout type de système disposant de moyens de régulation de la température. Ci-dessous, nous énumérons quelques exemples:

  • Les changements de phase de différents liquides à travers le processus de fusion et d'évaporation sont isothermes.

  • Certains cycles de moteurs thermiques; par exemple, la machine de Carnot. Une partie du cycle de Carnot est réalisée et la température reste constante.

  • Les réactions dans le réfrigérateur sont isothermes et une température constante est maintenue.

  • En biologie, les interactions d'une cellule avec ses cellules environnantes se font par des processus isothermes.

Processus isothermes dans les gaz parfaits

En chimique ou physique, les processus isothermes présentent un intérêt particulier pour les gaz idéaux. C'est une conséquence de la deuxième loi de Joule. Cette loi stipule que l'énergie interne d'une quantité fixe d'un gaz idéal ne dépend que de la température.

Par conséquent, dans un processus isotherme, l'énergie interne d'un gaz idéal est constante. Ceci est le résultat du fait que dans un gaz idéal, il n'y a pas de forces intermoléculaires. L'énergie interne dépend de la température, de la pression et du volume.

 

Dans ce processus, un travail est effectué qui modifie le volume et la pression. Ce travail implique une variation de l'énergie interne et aura tendance à augmenter la température. Le maintien de la température constante nécessite un transferts de chaleur entre le système et l'extérieur. Doncs il faut que n'il y aie détente adiabatique.

Dans une expansion isotherme, l' énergie thermique est absorbée, dans une compression l' énergie thermique est libérée. La quantité de chaleur échangée est la même que le travail effectué. Pour que le gaz se dilate, il doit être alimenté en chaleur.

Comparaison du travail entre le processus isotherme et adiabatique

Le processus adiabatique est pris comme référence théorique "idéale". Il montre le comportement sans perte thermique, ce qui signifie une efficacité énergétique d'exactement 100%.

Travaux requis pour la compression isotherme

Le travail effectué sur le système requis pour la compression isotherme est supérieur au travail requis pour la même compression adiabatique. Cela signifie que le gaz chauffé par compression est plus chaud que la température ambiante. Dans le cas isotherme, l'énergie thermique peut quitter le système.

Le travail supplémentaire correspond à l'énergie thermique du système perdue.

Efficacité énergétique théorique

Par conséquent, l'efficacité énergétique théorique de la compression isotherme est inférieure à celle d'un processus adiabatique (100%). Il en résulte que l'efficacité énergétique théorique d'une compression isotherme est inférieure à 100%.

On le retrouve, par exemple, dans l'étude du cycle de Carnot.

Travaux résultant d'une expansion

Le travail résultant d'une expansion isotherme est supérieur au travail résultant de la même expansion adiabatique. Le gaz refroidi par la détente est plus froid que la température ambiante. Dans le cas isotherme, la chaleur peut pénétrer dans le système. Le travail supplémentaire observé pour l'expansion isotherme correspond à l'énergie thermique obtenue par le système.

Par conséquent, l'efficacité énergétique théorique d'une expansion isotherme est supérieure à la même expansion dans un processus adiabatique (100%). Il s'ensuit que l'efficacité énergétique théorique d'une détente isotherme est supérieure à 100%. Ce qui se retrouve par exemple dans l'étude d'une machine frigorifique.

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Date de publication : 8 mars 2018
Dernier examen : 23 juin 2020