Plusieurs processus thermodynamiques idéalisés décrivent comment les états d'un gaz parfait peuvent subir des changements. Le processus isobare n'est que l'un d'entre eux.
Qu'est-ce que l'étude de la thermodynamique?
La thermodynamique est l'étude des changements qui se produisent dans les systèmes en raison du transfert d'énergie thermique (énergie thermique). Chaque fois que deux systèmes de température différente sont en contact l'un avec l'autre, l'énergie thermique est transférée du système le plus chaud au système le plus froid.
De nombreuses variables différentes affectent la façon dont ce transfert de chaleur se produit. Les propriétés moléculaires des matériaux impliqués affectent la rapidité et la facilité avec lesquelles l'énergie thermique est capable de passer d'un système à un autre, par exemple exemple, et la capacité thermique spécifique (la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter une unité de masse de 1 degré Celsius) affecte le résultat final températures.
En ce qui concerne les gaz, de nombreux autres phénomènes intéressants se produisent lors du transfert d'énergie thermique. Les gaz sont capables de se dilater et de se contracter de manière significative, et la manière dont ils le font dépend du conteneur dans lequel ils sont confinés, de la pression du système et de la température. Comprendre le fonctionnement des gaz est donc important pour comprendre la thermodynamique.
Théorie cinétique et variables d'état
La théorie cinétique fournit un moyen de modéliser un gaz afin que la mécanique statistique puisse être appliquée, ce qui permet éventuellement de définir un système via un ensemble de variables d'état.
Considérez ce qu'est un gaz: un groupe de molécules toutes capables de se déplacer librement les unes autour des autres. Afin de comprendre un gaz, il est logique d'examiner ses composants les plus élémentaires – les molécules. Mais sans surprise, cela devient très vite encombrant. Imaginez le grand nombre de molécules dans juste un verre plein d'air par exemple. Il n'y a pas d'ordinateur assez puissant pour suivre les interactions de tant de particules entre elles.
Au lieu de cela, en modélisant le gaz comme une collection de particules toutes soumises à un mouvement aléatoire, vous pouvez commencer pour comprendre l'image globale en termes de vitesses quadratiques moyennes des particules, par exemple Exemple. Il devient pratique de commencer à parler de l'énergie cinétique moyenne des molécules au lieu d'identifier l'énergie associée à chaque particule individuelle.
Ces quantités permettent de définir des variables d'état, qui sont des quantités décrivant l'état d'un système. Les principales variables d'état discutées ici seront la pression (la force par unité de surface), le volume (la quantité de l'espace occupé par le gaz) et la température (qui est une mesure de l'énergie cinétique moyenne par molécule). En étudiant les relations entre ces variables d'état, vous pouvez acquérir une compréhension des processus thermodynamiques à l'échelle macroscopique.
La loi de Charles et la loi des gaz parfaits
Un gaz parfait est un gaz dans lequel les hypothèses suivantes sont faites :
Les molécules peuvent être traitées comme des particules ponctuelles, sans prendre de place. (Pour que ce soit le cas, la haute pression n'est pas autorisée, ou les molécules deviendront suffisamment proches les unes des autres pour que leurs volumes deviennent pertinents.)
Les forces et interactions intermoléculaires sont négligeables. (La température ne peut pas être trop basse pour que ce soit le cas. Lorsque la température est trop basse, les forces intermoléculaires commencent à jouer un rôle relativement plus important.)
Les molécules interagissent entre elles et avec les parois du récipient lors de collisions parfaitement élastiques. (Cela permet de supposer la conservation de l'énergie cinétique.)
Une fois ces hypothèses formulées, certaines relations deviennent apparentes. Parmi celles-ci se trouvent la loi des gaz parfaits, qui s'exprime sous forme d'équation par :
PV = nRT = NkT
OùPest la pression,Vest le volume,Test la température,mest le nombre de moles,Nest le nombre de molécules,Rest la constante universelle des gaz,kest la constante de Boltzmann etnR = Nk.
Étroitement liée à la loi des gaz parfaits est la loi de Charles, qui stipule que, pour une pression constante, le volume et la température sont directement proportionnels, ouVERMONT= constante.
Qu'est-ce qu'un processus isobare?
Un processus isobare est un processus thermodynamique qui se produit à pression constante. Dans ce domaine, la loi de Charles s'applique puisque la pression est maintenue constante.
Les types de processus qui peuvent se produire lorsque la pression est maintenue constante comprennent l'expansion isobare, dans laquelle le volume augmente tandis que la température diminue, et la contraction isobare, dans laquelle le volume diminue tandis que la température augmente.
Si vous avez déjà cuisiné un repas au micro-ondes qui vous oblige à couper un évent dans le plastique avant de le mettre au micro-ondes, c'est à cause de l'expansion isobare. A l'intérieur du micro-ondes, la pression à l'intérieur et à l'extérieur du plateau repas recouvert de plastique est toujours la même et toujours en équilibre. Mais au fur et à mesure que les aliments cuisent et chauffent, l'air à l'intérieur du plateau se dilate en raison de l'augmentation de la température. Si aucun évent n'est disponible, le plastique peut se dilater au point d'éclater.
Pour une expérience de compression isobare rapide à la maison, placez un ballon gonflé dans votre congélateur. Encore une fois, la pression à l'intérieur et à l'extérieur du ballon sera toujours en équilibre. Mais à mesure que l'air dans le ballon se refroidit, il rétrécira en conséquence.
Si le récipient dans lequel se trouve le gaz est libre de se dilater et de se contracter et que la pression externe reste constante, alors n'importe quel processus sera isobare car toute différence de pression provoquerait une expansion ou une contraction jusqu'à ce que cette différence soit résolu.
Processus isobares et première loi de la thermodynamique
La première loi de la thermodynamique stipule que le changement d'énergie interneUd'un système est égal à la différence entre la quantité d'énergie thermique ajoutée au systèmeQet le travail net effectué par le systèmeW. Sous forme d'équation, c'est :
\Delta U = Q - W
Rappelons que la température était l'énergie cinétique moyenne par molécule. L'énergie interne totale est alors la somme des énergies cinétiques de toutes les molécules (avec un gaz parfait, les énergies potentielles sont considérées comme négligeables). Par conséquent, l'énergie interne du système est directement proportionnelle à la température. Parce que la loi des gaz parfaits relie la pression et le volume à la température, l'énergie interne est également proportionnelle au produit de la pression et du volume.
Ainsi, si de l'énergie thermique est ajoutée au système, la température augmente tout comme l'énergie interne. Si le système fonctionne sur l'environnement, alors cette quantité d'énergie est perdue dans l'environnement, et la température et l'énergie interne diminuent.
Sur un diagramme PV (graphique de pression vs. volume), un processus isobare ressemble à un graphique linéaire horizontal. Étant donné que la quantité de travail effectué au cours d'un processus thermodynamique est égale à l'aire sous la courbe PV, le travail effectué dans un processus isobare est simplement :
W = P\Delta V
Processus isobares dans les moteurs thermiques
Les moteurs thermiques convertissent l'énergie thermique en énergie mécanique via un cycle complet quelconque. Cela nécessite généralement qu'un système se développe à un moment donné au cours du cycle afin de travailler et de transmettre de l'énergie à quelque chose d'extérieur.
Considérons un exemple dans lequel un flacon Erlenmeyer est connecté via un tube en plastique à une seringue en verre. Une quantité fixe d'air est confinée dans ce système. Si le piston de la seringue est libre de coulisser, agissant comme un piston mobile, alors en plaçant le flacon dans un bain de chaleur (un bain d'eau chaude), l'air se dilatera et soulèvera le piston, faisant le travail.
Pour boucler le cycle d'un tel moteur thermique, il faudrait placer le ballon dans un bain froid pour que la seringue puisse revenir à son état de départ. Vous pouvez ajouter une étape supplémentaire consistant à utiliser le piston pour soulever une masse ou effectuer une autre forme de travail mécanique pendant son déplacement.
Autres procédés thermodynamiques
D'autres processus discutés plus en détail dans d'autres articles incluent :
Isothermeprocessus, dans lesquels la température est maintenue constante. À température constante, la pression est inversement proportionnelle au volume et la compression isotherme entraîne une augmentation de la pression tandis que la détente isotherme entraîne une diminution de la pression.
Dans unisochoreprocessus, le volume de gaz est maintenu constant (le récipient contenant le gaz est maintenu rigide et incapable de se dilater ou de se contracter). Ici, la pression est alors directement proportionnelle à la température. Aucun travail ne peut être effectué sur ou par le système puisque le volume ne change pas.
Dans unadiabatiqueprocessus, aucune chaleur n'est échangée avec l'environnement. En termes de première loi de la thermodynamique, cela signifieQ= 0, donc tout changement d'énergie interne correspond directement au travail effectué sur ou par le système.