Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

Processus isotherme

Processus isotherme

En thermodynamique, un processus isotherme est une transformation thermodynamique à température constante, c'est-à-dire une variation de l'état d'un système physique pendant lequel la température du système ne change pas avec le temps. Les dispositifs appelés thermostats peuvent maintenir une valeur de température constante.

La transformation isotherme d'un gaz parfait est décrite par la loi de Boyle qui, dans un diagramme pression-volume (ou plan de Clapeyron), est représentée par une branche de l'hyperbole équilatérale.

Isotherme d'un gaz parfait

Calcul de la chaleur et du travail échangé

Pour les transformations gazeuses isothermes, la loi de Boyle-Mariotte est valable, selon laquelle la pression et le volume sont inversement proportionnels; par conséquent, le produit à une température constante p · V est égal à une constante qui, pour des gaz parfaits, correspond au produit nRT.

La loi de Boyle est formulée mathématiquement à travers la relation:

P · V = const.

Dans un diagramme pression-volume (c'est-à-dire dans le plan de Clapeyron), il est représenté par une hyperbole équilatérale.

Nous considérons maintenant une transformation isotherme finie réversible d'un gaz parfait entre deux états A et B à température constante. Étant l'énergie interne une fonction de l'état qui dépend seulement de la température aura dU = 0. Par conséquent, le travail effectué par un gaz parfait au cours d'une expansion isotherme réversible est facilement calculé à partir de la première loi de la thermodynamique:

Calcul du travail dans un processus isotherme

Pour la première loi de la thermodynamique, la chaleur qui doit être fournie au gaz pour maintenir sa température constante est exactement égale au travail, puisque la variation de l'énergie interne, qui dépend seulement de la température, est égale à 0.

Calcul de l'entropie

De la définition de l'entropie:

Formule de définition de l'entropie

Dans le cas d'une transformation isotherme d'un gaz parfait, on obtient:

Formule de calcul de l'entropie dans un processus isotherme

à partir de laquelle on voit que l'entropie d'un isotherme augmente pour une expansion.

Exemples de processus isothermes

Les processus isothermes peuvent se produire dans tout type de système qui a des moyens de réguler la température, y compris des machines hautement structurées et même des cellules vivantes. Certaines parties des cycles de certains moteurs thermiques sont réalisées de manière isotherme (par exemple, dans le cycle de Carnot).

Dans l'analyse thermodynamique des réactions chimiques, il est habituel d'analyser d'abord ce qui se passe dans des conditions isothermes, puis de considérer l'effet de la température. Les changements de phase, tels que la fusion ou l'évaporation, sont également des processus isothermes lorsque, comme c'est habituellement le cas, ils se produisent à pression constante. Les processus isothermes sont souvent utilisés et constituent un point de départ pour analyser des processus plus complexes et non isothermes.

Les procédés isothermes présentent un intérêt particulier pour les gaz parfaits. C'est une conséquence de la deuxième loi de Joule qui stipule que l'énergie interne d'une quantité fixe d'un gaz parfait dépend uniquement de sa température. Par conséquent, dans un processus isotherme, l'énergie interne d'un gaz parfait est constante. Ceci est le résultat du fait que dans un gaz parfait, il n'y a pas de forces intermoléculaires. Notez que ceci n'est vrai que pour les gaz parfaits; l'énergie interne dépend de la pression, ainsi que de la température des liquides, des solides et des gaz réels.

Dans la compression isotherme d'un gaz, le système fonctionne pour diminuer le volume et augmenter la pression. Faire un travail sur le gaz augmente l'énergie interne et aura tendance à augmenter la température. Pour maintenir la température constante, l'énergie doit quitter le système sous forme de chaleur et entrer dans l'environnement. Si le gaz est idéal, la quantité d'énergie qui pénètre dans l'environnement est égale au travail effectué sur le gaz, car l'énergie interne ne change pas. Pour plus de détails sur les calculs, voir le calcul du travail.

Pour un procédé adiabatique, dans lequel aucune chaleur entre ou sort le gaz en raison de son récipient est bien isolé, Q = 0. Si soit pas de travail, à savoir une expansion libre est effectuée, aucune modification de l'énergie interne. Pour un gaz parfait, cela signifie que le processus est également isotherme. Par conséquent, spécifier qu'un processus est isotherme n'est pas suffisant pour spécifier un seul processus.

Représentation d'une transformation isotherme

Le nom isotherme est indiqué (ou plus complètement avec le terme isotherme de courbe), dans un graphique qui représente un processus thermique ou plus de transformations thermiques dans la séquence, la partie du graphique qui représente une transformation isotherme, c'est-à-dire une transformation qui se produit à température constante

Comparaison du travail entre le processus isotherme et le processus adiabatique

Le processus adiabatique est considéré comme la référence théorique "idéale", qui montre le comportement sans perte thermique, qui est traduit numériquement par une efficacité énergétique de 100% exactement.

Le travail requis pour la compression isotherme est supérieur au travail requis pour la même compression adiabatique: le gaz chauffé par la compression est plus chaud que la température ambiante, et dans le cas isotherme, la chaleur peut quitter le système. Le travail supplémentaire observé pour la compression isotherme correspond à l'énergie thermique perdue par le système.

Par conséquent, l'efficacité énergétique théorique de la compression isotherme est inférieure à l'efficacité énergétique de la même compression par un processus adiabatique, qui est de 100%. Il s'ensuit que l'efficacité énergétique théorique d'une compression isotherme est inférieure à 100%, ce qui se retrouve, par exemple, dans l'étude du cycle de Carnot.

Le travail résultant d'une expansion isotherme est supérieur au travail résultant de la même dilatation adiabatique: le gaz refroidi par l'expansion est plus froid que la température ambiante, et dans le cas isotherme, la chaleur peut entrer 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 l'efficacité énergétique de la même expansion selon un processus adiabatique, qui est de 100%. Il s'ensuit que l'efficacité énergétique théorique d'une expansion isotherme est supérieure à 100%, constatée, par exemple, dans l'étude d'une machine frigorifique.

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Dernier examen: 8 mars 2018