La thermodynamique est une branche de la physique qui étudie les processus par lesquels l'énergie thermique peut changer de forme. Souvent, les gaz idéaux sont spécifiquement étudiés car, non seulement ils sont beaucoup plus simples à comprendre, mais de nombreux gaz peuvent être considérés comme idéaux.
Un état thermodynamique particulier est défini par des variables d'état. Ceux-ci incluent la pression, le volume et la température. En étudiant les processus par lesquels un système thermodynamique passe d'un état à un autre, vous pouvez acquérir une compréhension plus approfondie de la physique sous-jacente.
Plusieurs processus thermodynamiques idéalisés décrivent comment les états d'un gaz parfait peuvent subir des changements. Le processus adiabatique n'est que l'un d'entre eux.
Variables d'état, fonctions d'état et fonctions de processus
L'état d'un gaz parfait à un moment donné peut être décrit par les variables d'état pression, volume et température. Ces trois quantités sont suffisantes pour déterminer l'état actuel du gaz et ne dépendent pas du tout de la façon dont le gaz a obtenu son état actuel.
D'autres quantités, telles que l'énergie interne et l'entropie, sont des fonctions de ces variables d'état. Encore une fois, les fonctions d'état ne dépendent pas non plus de la façon dont le système est entré dans son état particulier. Ils ne dépendent que des variables décrivant l'état dans lequel il se trouve actuellement.
Les fonctions de processus, quant à elles, décrivent un processus. La chaleur et le travail sont des fonctions de processus dans un système thermodynamique. La chaleur n'est échangée que lors d'un passage d'un état à un autre, tout comme le travail ne peut être effectué que lorsque le système change d'état.
Qu'est-ce qu'un processus adiabatique?
Un processus adiabatique est un processus thermodynamique qui se produit sans transfert de chaleur entre le système et son environnement. En d'autres termes, l'état change, le travail peut être effectué sur ou par le système lors de ce changement, mais aucune énergie thermique n'est ajoutée ou retirée.
Étant donné qu'aucun processus physique ne peut se produire instantanément et qu'aucun système ne peut vraiment être parfaitement isolé, une condition parfaitement adiabatique ne peut jamais être atteinte dans la réalité. Cependant, il peut être approximé, et beaucoup peut être appris en l'étudiant.
Plus un processus se produit rapidement, plus il peut être proche de l'adiabatique car moins il y aura de temps pour un transfert de chaleur.
Processus adiabatiques et première loi de la thermodynamique
La première loi de la thermodynamique stipule que le changement d'énergie interne d'un système est égal à la différence entre la chaleur ajoutée au système et le travail effectué par le système. Sous forme d'équation, c'est :
\Delta E=Q-W
OùEest l'énergie interne,Qest la chaleur ajoutée au système etWest le travail effectué par le système.
Puisqu'il n'y a pas d'échange de chaleur dans un processus adiabatique, alors il doit être le cas que :
\Delta E=-W
En d'autres termes, si l'énergie quitte le système, c'est le résultat du travail du système, et si l'énergie entre dans le système, elle résulte directement du travail effectué sur le système.
Expansion et compression adiabatiques
Lorsqu'un système se dilate de manière adiabatique, le volume augmente sans échange de chaleur. Cette augmentation de volume constitue un travail du système sur l'environnement. Par conséquent, l'énergie interne doit diminuer. Puisque l'énergie interne est directement proportionnelle à la température du gaz, cela signifie que le changement de température sera négatif (la température chute).
A partir de la loi des gaz parfaits, vous pouvez obtenir l'expression suivante pour la pression :
P=\frac{nRT}{V}
Oùmest le nombre de moles,Rest la constante des gaz parfaits,Test la température etVest le volume.
Pour l'expansion adiabatique, la température diminue tandis que le volume augmente. Cela signifie que la pression devrait également baisser car, dans l'expression ci-dessus, le numérateur diminuerait tandis que le dénominateur augmenterait.
En compression adiabatique, c'est l'inverse qui se produit. Étant donné qu'une diminution du volume indique un travail effectué sur le système par l'environnement, cela donnent une variation positive de l'énergie interne correspondant à une élévation de température (plus Température).
Si la température augmente tandis que le volume diminue, la pression augmente également.
Un exemple qui illustre un processus approximativement adiabatique souvent montré dans les cours de physique est le fonctionnement d'une seringue à incendie. Une seringue à incendie se compose d'un tube isolé qui est fermé à une extrémité et qui contient un piston à l'autre extrémité. Le piston peut être poussé vers le bas pour comprimer l'air dans le tube.
Si un petit morceau de coton ou un autre matériau inflammable est placé dans le tube à température ambiante, puis le piston est poussé vers le bas très rapidement, l'état du gaz dans le tube changera avec un minimum d'échange de chaleur avec l'extérieur. La pression accrue dans le tube qui se produit lors de la compression fait augmenter considérablement la température à l'intérieur du tube, suffisamment pour que le petit morceau de coton brûle.
Diagrammes P-V
UNEpression-volumeLe diagramme (P-V) est un graphique qui décrit le changement d'état d'un système thermodynamique. Dans un tel diagramme, le volume est tracé sur laX-axe, et la pression est tracée sur leoui-axe. Un état est indiqué par un (x, y) point correspondant à une pression et un volume particuliers. (Remarque: la température peut être déterminée à partir de la pression et du volume en utilisant la loi des gaz parfaits).
Lorsque l'état passe d'une pression et d'un volume particuliers à une autre pression et à un autre volume, une courbe peut être tracée sur le diagramme indiquant comment le changement d'état s'est produit. Par exemple, un processus isobare (dans lequel la pression reste constante) ressemblerait à une ligne horizontale sur un diagramme P-V. D'autres courbes peuvent être tracées reliant le point de départ et d'arrivée et entraîneraient par conséquent des quantités de travail différentes. C'est pourquoi la forme du chemin sur le schéma est pertinente.
Un processus adiabatique se présente sous la forme d'une courbe qui obéit à la relation :
P \propto \frac{1}{V^c}
Oùcest le rapport des chaleurs spécifiques cp/cv (cpest la chaleur spécifique du gaz à pression constante, etcvest la chaleur spécifique pour un volume constant). Pour un gaz monoatomique idéal,c= 1,66, et pour l'air, qui est avant tout un gaz diatomique,c = 1.4
Processus adiabatiques dans les moteurs thermiques
Les moteurs thermiques sont des moteurs qui convertissent l'énergie thermique en énergie mécanique via un cycle complet quelconque. Sur un diagramme P-V, un cycle de moteur thermique formera une boucle fermée, avec l'état du moteur se terminant là où il a commencé, mais faisant un travail en train d'y arriver.
De nombreux processus ne fonctionnent que dans un seul sens; cependant, les processus réversibles fonctionnent aussi bien en avant qu'en arrière sans enfreindre les lois de la physique. Un processus adiabatique est un type de processus réversible. Cela le rend particulièrement utile dans un moteur thermique car cela signifie qu'il ne convertit aucune énergie sous une forme irrécupérable.
Dans un moteur thermique, le travail total effectué par le moteur est la surface contenue dans la boucle du cycle.
Autres procédés thermodynamiques
D'autres processus thermodynamiques discutés plus en détail dans d'autres articles incluent :
Processus isobares, qui se produisent à pression constante. Celles-ci ressembleront à des lignes horizontales sur un diagramme P-V. Le travail effectué dans un processus isobare est égal à la valeur de pression constante multipliée par le changement de volume.
Processus isochore, qui se produit à volume constant. Celles-ci ressemblent à des lignes verticales sur un diagramme P-V. Étant donné que le volume ne change pas au cours de ces processus, aucun travail n'est effectué.
Les processus isothermes se produisent à température constante. Comme les processus adiabatiques, ceux-ci sont réversibles. Cependant, pour qu'un processus soit parfaitement isotherme, il doit maintenir un équilibre constant, ce qui signifie qu'il devrait se produire infiniment lentement, contrairement à l'exigence instantanée d'un adiabatique traiter.
