Lois de la thermodynamique: définition, équations et exemples

La pompe perpétuelle est l'une des nombreuses machines à mouvement perpétuel qui ont été conçues au fil des ans, dans le but de produire un mouvement continu et souvent, par conséquent, de l'énergie gratuite. La conception est assez simple: l'eau s'écoule d'une plate-forme surélevée sur une roue à eau, qui est attachée à des engrenages, qui à son tour actionnent une pompe qui tire l'eau de la surface vers la plate-forme surélevée, où le processus recommence de nouveau.

Lorsque vous entendez parler d'un design comme celui-ci pour la première fois, vous pensez peut-être que c'est possible et même une bonne idée. Et les scientifiques de l'époque étaient d'accord, jusqu'à ce que les lois de la thermodynamique soient découvertes et anéantissent les espoirs de mouvement perpétuel de tout le monde d'un seul coup.

Les lois de la thermodynamique sont parmi les lois les plus importantes de la physique. Ils visent à décrire l'énergie, y compris la façon dont elle est transférée et conservée, ainsi que le concept crucial de la

La thermodynamique est une branche de la physique qui étudieénergie thermique et énergie internedans les systèmes thermodynamiques. L'énergie thermique est l'énergie transmise par le transfert de chaleur, et l'énergie interne peut être considérée comme la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle de toutes les particules d'un système.

En utilisant la théorie cinétique comme un outil - qui explique les propriétés du corps de matière en étudiant les mouvements de ses particules constituantes - les physiciens ont pu déduire de nombreuses relations cruciales entre quantités. Bien sûr, calculer l'énergie totale de milliards d'atomes serait peu pratique, compte tenu du caractère aléatoire effectif de leur mouvements précis, de sorte que les processus utilisés pour dériver les relations ont été construits autour de la mécanique statistique et similaires approches.

Essentiellement, des hypothèses simplificatrices et une focalisation sur le comportement « moyen » sur un grand nombre de molécules ont donné les scientifiques les outils pour analyser le système dans son ensemble, sans s'embourber dans des calculs interminables pour l'un des milliards d'atomes.

Pour comprendre les lois de la thermodynamique, vous devez vous assurer de comprendre certains des termes les plus importants.Températureest une mesure de l'énergie cinétique moyenne par molécule dans une substance - c'est-à-dire combien les molécules se déplacent (dans un liquide ou un gaz) ou vibrent sur place (dans un solide). L'unité SI pour la température est le Kelvin, où 0 Kelvin est appelé « zéro absolu », qui est le température la plus froide possible (contrairement à la température nulle dans d'autres systèmes), où tout mouvement moléculaire cesse.

​Énergie interneest l'énergie totale des molécules d'un système, c'est-à-dire la somme de leur énergie cinétique et de leur énergie potentielle. Une différence de température entre deux substances permet à la chaleur de circuler, ce qui est lel'énérgie thermiquequi passe de l'un à l'autre.Travail thermodynamiqueest un travail mécanique qui est effectué en utilisant l'énergie thermique, comme dans un moteur thermique (parfois appelé moteur Carnot).

​Entropieest un concept difficile à définir clairement avec des mots, mais mathématiquement, il est défini comme la constante de Boltzmann (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) multiplié par le logarithme népérien du nombre de micro-états dans un système. En termes simples, il est souvent appelé la mesure du « désordre », mais il peut être considéré plus précisément comme le degré de lequel l'état d'un système est indiscernable d'un grand nombre d'autres états lorsqu'il est vu à l'échelle macroscopique niveau.

Par exemple, un fil de casque emmêlé a un grand nombre d'arrangements spécifiques possibles, mais la plupart d'entre eux semblent juste aussi "emmêlés" que les autres et ont donc une entropie plus élevée qu'un état où le fil est soigneusement enroulé sans enchevêtrement.

La loi zéro de la thermodynamique obtient son numéro parce que les première, deuxième et troisième lois sont les plus connues et largement enseigné, cependant, il est tout aussi important lorsqu'il s'agit de comprendre les interactions de la thermodynamique systèmes. La loi zéro stipule que si le système thermique A est en équilibre thermique avec le système thermique B, et le système B est en équilibre thermique avec le système C, alors le système A doit être en équilibre avec le système C.

C'est facile à retenir si vous pensez à ce que cela signifie pour un système d'être en équilibre avec un autre. Penser en termes de chaleur et de température: Deux systèmes sont en équilibre l'un avec l'autre lorsque la chaleur s'est écoulée en tant que telle pour apporter à la même température, comme la température uniforme et chaude que vous obtenez un certain temps après avoir versé de l'eau bouillante dans une cruche d'eau plus froide l'eau.

Lorsqu'ils sont en équilibre (c'est-à-dire à la même température), soit aucun transfert de chaleur ne se produit, soit une petite quantité de flux de chaleur est rapidement annulée par un flux de l'autre système.

En y réfléchissant, il est logique que si vous introduisez un troisième système dans cette situation, il se déplacera vers équilibre avec le second système, et s'il est en équilibre, il sera aussi en équilibre avec le premier système aussi.

La première loi de la thermodynamique stipule que le changement d'énergie interne pour un système (∆U) est égal à la chaleur transférée au système (Q) moins le travail effectué par le système (W). En symboles, c'est :

Il s'agit essentiellement d'un énoncé de la loi de conservation de l'énergie. Le système gagne de l'énergie si de la chaleur lui est transférée et en perd s'il fonctionne sur un autre système, et le flux d'énergie est inversé dans les situations opposées. En rappelant que la chaleur est une forme de transfert d'énergie et que le travail est le transfert d'énergie mécanique, il est facile de voir que cette loi réaffirme simplement la conservation de l'énergie.

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale d'un système fermé (c'est-à-dire un système isolé) ne diminue jamais, mais elle peut augmenter ou (théoriquement) rester la même.

Cela est souvent interprété comme signifiant que le « désordre » de tout système isolé augmente avec le temps, mais comme discuté ci-dessus, ce n'est pas une manière strictement précise d'examiner le concept, bien qu'il soit largement droite. La deuxième loi de la thermodynamique stipule essentiellement que les processus aléatoires conduisent au « désordre » au sens mathématique strict du terme.

Une autre source courante d'idées fausses sur la deuxième loi de la thermodynamique est la signification d'un "fermé système." Cela devrait être considéré comme un système isolé du monde extérieur, mais sans cet isolement, entropiepouvezdiminuer. Par exemple, une chambre en désordre laissée toute seule ne sera jamais plus rangée, mais ellepouvezpasser à un état plus organisé à entropie inférieure si quelqu'un entre et travaille dessus (c'est-à-dire le nettoie).

La troisième loi de la thermodynamique stipule que lorsque la température d'un système approche du zéro absolu, l'entropie du système approche une constante. En d'autres termes, la deuxième loi laisse ouverte la possibilité que l'entropie d'un système puisse rester constante, mais la troisième loi précise que cela ne se produit qu'àzéro absolu​.

La troisième loi implique également que (et est parfois indiqué comme) il est impossible de réduire la température d'un système au zéro absolu avec un nombre fini d'opérations. En d'autres termes, il est pratiquement impossible d'atteindre le zéro absolu, bien qu'il soit possible de s'en approcher très près et de minimiser l'augmentation d'entropie pour le système.

Lorsque les systèmes se rapprochent du zéro absolu, un comportement inhabituel peut en résulter. Par exemple, à proximité du zéro absolu, de nombreux matériaux perdent toute résistance au flux de courant électrique, passant à un état appelé supraconductivité. C'est parce que la résistance au courant est créée par le caractère aléatoire du mouvement des noyaux du atomes dans le conducteur - proches du zéro absolu, ils bougent à peine, et donc la résistance est minimisée.

Les lois de la thermodynamique et la loi de la conservation de l'énergie expliquent pourquoi les machines à mouvement perpétuel ne sont pas possibles. Il y aura toujours de l'énergie « perdue » créée dans le processus pour n'importe quelle conception que vous pourriez choisir, conformément à la deuxième loi de la thermodynamique: l'entropie du système augmentera.

La loi de conservation de l'énergie montre que toute énergie dans la machine doit provenir de quelque part, et le la tendance à l'entropie montre pourquoi la machine ne transmettra pas parfaitement l'énergie d'une forme à l'autre.

En utilisant l'exemple de la roue hydraulique et de la pompe de l'introduction, la roue hydraulique doit avoir des pièces mobiles (par exemple, l'essieu et son connexion à la roue, et les engrenages qui transmettent l'énergie à la pompe), et ceux-ci créeront des frictions, perdant de l'énergie comme Chauffer.

Cela peut sembler un petit problème, mais même avec une petite baisse de la production d'énergie, la pompe ne pourra pas obtenirtoutde l'eau remonte sur la surface surélevée, réduisant ainsi l'énergie disponible pour la prochaine tentative. Ensuite, la prochaine fois, il y aura encore plus d'énergie gaspillée et plus d'eau qui ne pourra pas être pompée, et ainsi de suite. En plus de cela, il y aura également une perte d'énergie des mécanismes de la pompe.

En pensant à la deuxième loi de la thermodynamique, vous pourriez vous demander: si l'entropie d'un système augmente, comment se peut-il qu'un système aussi hautement "ordonné" comme un être humain en soit venu à être? Comment mon corps absorbe-t-il les apports désordonnés sous forme de nourriture et les transforme-t-il en cellules et organes soigneusement conçus? Ces points ne sont-ils pas en conflit avec la deuxième loi de la thermodynamique ?

Ces arguments font tous deux la même erreur: les êtres humains ne sont pas un « système fermé » (c'est-à-dire un système isolé) au sens strict du terme parce que vous interagissez avec et pouvez prendre de l'énergie de l'environnement univers.

Lorsque la vie est apparue pour la première fois sur Terre, bien que la matière se soit transformée d'un état d'entropie supérieure à un état d'entropie inférieure, il y avait une entrée d'énergie dans le système du soleil, et cette énergie permet à un système de devenir plus faible entropie sur temps. Notez qu'en thermodynamique, l'« univers » est souvent considéré comme l'environnement entourant un état, plutôt que l'ensemble de l'univers cosmique.

Pour l'exemple du corps humain créant de l'ordre dans le processus de fabrication de cellules, d'organes et même d'autres humains, la réponse est la même: vous absorbez de l'énergie de l'extérieur, et cela vous permet de faire certaines choses qui semblent défier la deuxième loi de thermodynamique.

Si vous étiez complètement coupé des autres sources d'énergie et que vous utilisiez toute l'énergie stockée dans votre corps, il serait en effet vrai que vous ne pourriez pas produire de cellules ou effectuer l'une des activités qui vous maintiennent fonctionnement. Sans votre apparent défi à la deuxième loi de la thermodynamique, vous mourriez.