Thermodynamique: définition, lois et équations

Pour beaucoup de gens, la thermodynamique ressemble à une branche effrayante de la physique que seules les personnes intelligentes peuvent comprendre. Mais avec quelques connaissances de base et un peu de travail, n'importe qui peut comprendre ce domaine d'étude.

La thermodynamique est une branche de la physique qui explore les événements dans les systèmes physiques dus au transfert d'énergie thermique. Des physiciens de Sadi Carnot à Rudolf Clausius et de James Clerk Maxwell à Max Planck ont ​​tous participé à son développement.

Le mot "thermodynamique" vient des racines grecques thermos, ce qui signifie chaud ou tiède, et dynamikos, signifiant puissant, bien que des interprétations ultérieures de la racine lui attribuent le sens de l'action et du mouvement. En substance, la thermodynamique est l'étude de l'énergie thermique en mouvement.

La thermodynamique traite de la façon dont l'énergie thermique peut être générée et transformée en différentes formes d'énergie telles que l'énergie mécanique. Il explore également la notion d'ordre et de désordre dans les systèmes physiques ainsi que l'efficacité énergétique de différents processus.

Une étude approfondie de la thermodynamique repose également fortement sur mécanique statistique afin de comprendre la théorie cinétique et ainsi de suite. L'idée de base étant que les processus thermodynamiques peuvent être compris en fonction de ce que font toutes les petites molécules d'un système.

Le problème est, cependant, qu'il est impossible d'observer et de rendre compte de l'action individuelle de chaque molécule, donc des méthodes statistiques sont appliquées à la place, et avec une grande précision.

Certains travaux fondamentaux liés à la thermodynamique ont été développés dès les années 1600. La loi de Boyle, développée par Robert Boyle, a déterminé la relation entre la pression et le volume, ce qui a finalement conduit à la loi des gaz parfaits lorsqu'elle est combinée avec la loi de Charles et la loi de Gay-Lussac.

Ce n'est qu'en 1798 que la chaleur a été comprise comme une forme d'énergie par le comte Rumford (alias Sir Benjamin Thompson). Il a observé que la chaleur générée était proportionnelle au travail effectué lors du tournage d'un outil d'alésage.

Au début des années 1800, l'ingénieur militaire français Sadi Carnot a effectué un travail considérable dans développer le concept de cycle de moteur thermique, ainsi que l'idée de réversibilité dans un système thermodynamique traiter. (Certains processus fonctionnent aussi bien en amont qu'en amont; ces processus sont appelés réversibles. De nombreux autres processus ne fonctionnent que dans un seul sens.)

Les travaux de Carnot ont conduit au développement de la machine à vapeur.

Plus tard, Rudolf Clausius a formulé les première et deuxième lois de la thermodynamique, qui sont décrites plus loin dans cet article. Le domaine de la thermodynamique a évolué rapidement dans les années 1800, alors que les ingénieurs travaillaient à rendre les moteurs à vapeur plus efficaces.

Les propriétés et les quantités thermodynamiques incluent les éléments suivants :

• Chaleur, qui est l'énergie transférée entre des objets à différentes températures.
• Température, qui est une mesure de l'énergie cinétique moyenne par molécule dans une substance.
• Énergie interne, qui est la somme de l'énergie cinétique moléculaire et de l'énergie potentielle dans un système de molécules.
• Pression, qui est une mesure de la force par unité de surface sur un conteneur qui abrite une substance.
• Le volume est l'espace tridimensionnel qu'occupe une substance.
• Micro-états sont les états dans lesquels se trouvent les molécules individuelles.
• Macroétats sont les états les plus vastes dans lesquels se trouvent les collections de molécules.
• Entropie est une mesure du trouble dans une substance. Il est mathématiquement défini en termes de micro-états, ou de manière équivalente, en termes de changements de chaleur et de température.

De nombreux termes scientifiques différents sont utilisés dans l'étude de la thermodynamique. Afin de simplifier vos propres investigations, voici une liste de définitions de termes couramment utilisés :

• Équilibre thermique ou équilibre thermodynamique : État dans lequel toutes les parties d'un système fermé sont à la même température.
• Zéro absolu Kelvin : Kelvin est l'unité SI pour la température. La valeur la plus basse sur cette échelle est zéro, ou zéro absolu. C'est la température la plus froide possible.
• Système thermodynamique : Tout système fermé qui contient des interactions et des échanges d'énergie thermique.
• Système isolé: Un système qui ne peut pas échanger d'énergie avec quoi que ce soit en dehors de lui.
• Énergie calorifique ou énergie thermique : Il existe de nombreuses formes d'énergie différentes; parmi eux se trouve l'énergie thermique, qui est l'énergie associée au mouvement cinétique des molécules dans un système.
• Énergie libre de Gibbs : Potentiel thermodynamique utilisé pour déterminer la quantité maximale de travail réversible dans un système.
• La capacité thermique spécifique: La quantité d'énergie thermique nécessaire pour modifier la température d'une unité de masse d'une substance de 1 degré. Cela dépend du type de substance et il s'agit d'un nombre généralement recherché dans les tableaux.
• Gaz parfait: Un modèle simplifié des gaz qui s'applique à la plupart des gaz à température et pression standard. Les molécules de gaz elles-mêmes sont supposées entrer en collision dans des collisions parfaitement élastiques. On suppose également que les molécules sont suffisamment éloignées les unes des autres pour pouvoir être traitées comme des masses ponctuelles.

Il y a trois principaux lois de la thermodynamique (appelée la première loi, la deuxième loi et la troisième loi) mais il existe aussi une loi zéro. Ces lois sont décrites comme suit :

le loi zéro de la thermodynamique est probablement le plus intuitif. Il indique que si la substance A est en équilibre thermique avec la substance B et que la substance B est en équilibre avec la substance C, il s'ensuit que la substance A doit être en équilibre thermique avec substance C.

le première loi de la thermodynamique est essentiellement un énoncé de la loi de conservation de l'énergie. Il indique que le changement d'énergie interne d'un système est égal à la différence entre l'énergie thermique transférée dans le système et le travail effectué par le système sur son environnement.

le deuxième loi de la thermodynamique, parfois appelée loi qui implique une flèche du temps - indique que l'entropie totale dans un système fermé ne peut que rester constante ou augmenter à mesure que le temps avance. L'entropie peut être considérée comme une mesure du désordre d'un système, et cette loi peut être considérée de manière vague comme affirmant que «les choses ont tendance à se mélanger plus vous les secouez, par opposition à démixage.

le troisième loi de la thermodynamique déclare que l'entropie d'un système approche une valeur constante lorsque la température d'un système approche le zéro absolu. Puisqu'au zéro absolu, il n'y a pas de mouvement moléculaire, il est logique que l'entropie ne change pas à ce point.

La thermodynamique utilise la mécanique statistique. Il s'agit d'une branche de la physique qui applique les statistiques à la physique classique et quantique.

La mécanique statistique permet aux scientifiques de travailler avec des quantités macroscopiques de manière plus simple qu'avec des quantités microscopiques. Considérez la température, par exemple. Elle est définie comme l'énergie cinétique moyenne par molécule dans une substance.

Et si à la place vous deviez déterminer l'énergie cinétique réelle de chaque molécule, et plus que cela, garder une trace de chaque collision entre les molécules? Il serait presque impossible d'avancer. Au lieu de cela, des techniques statistiques sont utilisées qui permettent de comprendre la température, la capacité thermique et ainsi de suite en tant que propriétés plus larges d'un matériau.

Ces propriétés décrivent le comportement moyen à l'intérieur du matériau. Il en est de même pour des grandeurs comme la pression et l'entropie.

UNE moteur thermique est un système thermodynamique qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique. Les moteurs à vapeur sont un exemple de moteur thermique. Ils fonctionnent en utilisant une pression élevée pour déplacer un piston.

Les moteurs thermiques fonctionnent sur une sorte de cycle complet. Ils ont une sorte de source de chaleur, généralement appelée bain de chaleur, qui leur permet d'absorber de l'énergie thermique. Cette énergie thermique provoque alors une sorte de changement thermodynamique dans le système, comme l'augmentation de la pression ou l'expansion d'un gaz.

Lorsqu'un gaz se dilate, il agit sur l'environnement. Parfois, cela ressemble à faire bouger un piston dans un moteur. A la fin d'un cycle, un bain froid est utilisé pour ramener le système à son point de départ.

Les moteurs thermiques absorbent de l'énergie thermique, l'utilisent pour effectuer un travail utile, puis dégagent ou perdent également de l'énergie thermique dans l'environnement pendant le processus. le Efficacité d'un moteur thermique est défini comme le rapport entre le travail utile fourni et l'apport thermique net.

Il n'est pas surprenant que les scientifiques et les ingénieurs souhaitent que leurs moteurs thermiques soient aussi efficaces que possible, en convertissant des quantités maximales d'énergie calorifique en travail utile. Vous pourriez penser que le plus efficace qu'un moteur thermique puisse être est 100 pour cent efficace, mais c'est incorrect.

En fait, il existe une limite au rendement maximal d'un moteur thermique. Non seulement l'efficacité dépend du type de processus dans le cycle, même lorsque le meilleur possible processus (ceux qui sont réversibles) sont utilisés, le rendement le plus efficace d'un moteur thermique dépend de la différence relative de températures entre le bain chaud et le bain froid.

Cette efficacité maximale s'appelle l'efficacité de Carnot, et c'est l'efficacité d'un Cycle Carnot, qui est un cycle de moteur thermique composé d'éléments entièrement réversibles processus.

Il existe de nombreuses applications de la thermodynamique pour processus vu dans la vie de tous les jours. Prenez votre réfrigérateur, par exemple. Un réfrigérateur fonctionne selon un cycle thermodynamique.

Tout d'abord, un compresseur comprime la vapeur de réfrigérant, ce qui provoque une augmentation de la pression et la pousse vers l'avant dans des serpentins situés à l'extérieur à l'arrière de votre réfrigérateur. Si vous sentez ces bobines, elles seront chaudes au toucher.

L'air ambiant les refroidit et le gaz chaud redevient liquide. Ce liquide se refroidit à haute pression lorsqu'il s'écoule dans les serpentins à l'intérieur du réfrigérateur, absorbant la chaleur et refroidissant l'air. Une fois suffisamment chaud, il s'évapore à nouveau en gaz et retourne dans le compresseur, et le cycle se répète.

Les pompes à chaleur, qui peuvent chauffer et climatiser votre maison, fonctionnent selon des principes similaires.