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Thermodynamique

Thermodynamique

L'étude de la thermodynamique est la branche de la physique classique qui étudie et décrit les transformations thermodynamiques induites par la chaleur et travaille dans un système thermodynamique. Ces transformations sont le résultat de processus qui impliquent des changements dans les variables de l'état de la température et de l'énergie au niveau macroscopique.

La thermodynamique classique est basée sur le concept de système macroscopique, c'est-à-dire une partie de la masse physiquement ou conceptuellement séparée de l'environnement externe, qui est souvent supposée pour des raisons de commodité qui n'est pas perturbée par l'échange d'énergie avec le système.

L'état d'un système macroscopique qui est dans des conditions d'équilibre est spécifié par des quantités appelées variables thermodynamiques ou fonctions d'état telles que la température, la pression, le volume et la composition chimique. Les principales notations en thermodynamique chimique ont été établies par l'Union internationale de chimie pure et appliquée.

Cependant, il existe une branche de la thermodynamique, appelée thermodynamique hors équilibre, qui étudie les processus thermodynamiques caractérisés par l'incapacité à atteindre des conditions d'équilibre stables.

Quelles sont les lois de la thermodynamique?

Les principes de la thermodynamique ont été énoncés au cours du XIXe siècle et régulent les transformations thermodynamiques, leurs progrès, leurs limites. Ce sont des axiomes réels, non prouvés et non prouvés basés sur l'expérience, sur lesquels repose toute la théorie de la thermodynamique.

On peut distinguer trois principes de base, plus un principe «zéro» qui définit la température et qui est implicite dans les trois autres.

Loi zéro de la thermodynamique

Lorsque deux systèmes en interaction sont en équilibre thermique, ils partagent certaines propriétés, qui peuvent être mesurées, leur donnant une valeur numérique précise. Par conséquent, lorsque deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, ils sont en équilibre l'un avec l'autre et la propriété partagée est la température. Le principe zéro de la thermodynamique dit simplement que si un corps "A" est en équilibre thermique avec un corps "B" et "B" est en équilibre thermique avec un corps "C", alors "A" et "C" sont dans l'équilibre d'équilibre thermique entre eux.

Ce principe explique le fait que deux corps à des températures différentes, entre lesquels la chaleur est échangée (même si ce concept n'est pas présent dans le principe zéro) finissent par atteindre la même température.

Dans le principe de formulation cinétique du zéro de la thermodynamique, il y a une tendance à arriver à une énergie cinétique moyenne commune des atomes et des molécules des corps entre lesquels il porte l'échange de chaleur: en moyenne, à la suite de collisions de particules corporelles Plus chaud, en moyenne, plus rapide, avec des particules corporelles plus froides, en moyenne plus lent, il y aura de l'énergie allant de la première à la seconde, tendant à des températures égales. L'efficacité de l'échange d'énergie détermine les chaleurs spécifiques des éléments impliqués.

Première loi de la thermodynamique

Lorsqu'un corps entre en contact avec un corps relativement plus froid, une transformation se produit qui conduit à un état d'équilibre dans lequel les températures des deux corps sont les mêmes, améliorant un transfert d'énergie entre le corps chaud et le corps froid .

Pour expliquer ce phénomène, les scientifiques du XVIIIe siècle ont supposé qu'une substance, présente en plus grande quantité dans le corps le plus chaud, passait dans le corps le plus froid.

Cette substance hypothétique, appelée calorique, était considérée comme un fluide capable de se déplacer dans la masse improprement appelée matière. Le premier principe de la thermodynamique identifie la chaleur comme une forme d'énergie qui peut être convertie en travail mécanique et stockée, mais qui n'est pas une substance matérielle.

Il a été démontré expérimentalement que la chaleur, mesurée à l'origine en calories, et le travail ou l'énergie, mesurés en joules, sont en fait équivalents. Chaque calorie équivaut à environ 4 186 joules.

Le premier principe est donc un principe de conservation de l'énergie. Dans chaque moteur thermique ou moteur thermique, une certaine quantité d'énergie est transformée en travail: il ne peut y avoir de machine qui produit du travail sans consommer d'énergie. Une machine similaire, si elle existait, produirait en fait le soi-disant mouvement perpétuel de la première espèce.

Le premier principe est traditionnellement établi comme:

La variation de l'énergie interne d'un système thermodynamique fermé est égale à la différence entre la chaleur fournie au système et le travail effectué par le système dans l'environnement.

La formulation mathématique correspondante est exprimée comme suit:

ΔU = Q - L

où U est l'énergie interne du système, Q la chaleur fournie au système et L le travail effectué par le système.

L'énergie interne signifie la somme des énergies cinétiques et l'interaction des différentes particules dans un système. Q est la chaleur échangée entre l'environnement et le système (positive si elle est fournie au système, négative si elle est transférée par le système) et L le travail effectué (positive si le système le fait dans l'environnement, négative si l'environnement le fait dans le système).

La convention des signes est influencée par le lien avec l'étude des moteurs thermiques, dans lesquels la chaleur se transforme (partiellement) en travail.

Les formulations alternatives et équivalentes du premier principe sont:

  • Pour un système ouvert, qw =? E où? E est destiné à la variation de l'énergie totale, qui n'est rien de plus que la somme des changements de l'énergie interne, de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle que possède ce système. Nous voyons que pour un système fermé les variations d'énergie cinétique et potentielle sont nulles et, par conséquent, nous nous référons à la relation précédente.
  • Pour un cycle thermodynamique, q = w, puisque la variation totale d'énergie est nulle, le système ayant, à la fin de chaque cycle, à nouveau dans les mêmes conditions de démarrage.

Deuxième loi de la thermodynamique

Il existe plusieurs énoncés du deuxième principe, tous équivalents, et chacune des formulations met l'accent sur un aspect particulier. Il déclare qu '"il est impossible de réaliser une machine cyclique dont le seul résultat est le transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud" (déclaration Clausius) ou, de manière équivalente, "qu'il est impossible de réaliser une transformation dont le résultat n'est que celui de convertir la chaleur extraite d'une seule source en travail mécanique "(déclaration de Kelvin).

Cette dernière limitation nie la possibilité de faire le soi-disant mouvement perpétuel de la seconde espèce. L'entropie le total d'un système isolé reste inchangé lorsqu'une transformation réversible a lieu et augmente lorsqu'une transformation irréversible a lieu.

Troisième loi de la thermodynamique

Il est étroitement lié à ce dernier et, dans certains cas, est considéré comme une conséquence de ce dernier. On peut dire en disant qu '"il est impossible d'atteindre le zéro absolu avec un nombre fini de transformations" et donne une définition précise de la quantité appelée entropie.

Il indique également que l'entropie pour un solide parfaitement cristallin, à une température de 0 kelvin est égale à 0. Il est facile d'expliquer cette affirmation par la thermodynamique moléculaire: un solide parfaitement cristallin est composé d'un seul complexe (ce sont toutes des façons de organiser les molécules, si les molécules sont toutes identiques, quelle que soit leur disposition, le cristal est macroscopiquement toujours le même) et, étant 0 kelvin, l'énergie de vibration, de translation et de rotation des particules qui le composent composer n'est donc rien de la loi de Boltzmann S = k ln (1) = 0 où 1 sont les complexes (dans ce cas un seul).

Histoire de la thermodynamique

Sadi Carnot, en 1824, a été le premier à démontrer que le travail peut être obtenu par échange de chaleur entre deux sources à des températures différentes. À travers le théorème de Carnot et la machine idéale de Carnot (basée sur le cycle de Carnot), il a quantifié ce travail et introduit le concept d'efficacité thermodynamique.

En 1848, Lord Kelvin, utilisant la machine Carnot, introduit le concept de température thermodynamique efficace et est responsable d'un énoncé du deuxième principe de la thermodynamique.

En 1850, James Prescott Joule a démontré l'égalité des deux formes d'énergie (on croyait alors que le liquide calorique existait encore).

Arrivé à cela, le problème s'est posé que, s'il avait été possible d'obtenir la chaleur totale du travail, il n'aurait pas été possible d'obtenir l'inverse. Ce résultat a également débarqué Clausius qui en 1855 présente son inégalité pour reconnaître les processus réversibles de l'irréversible et l'état de la fonction d'entropie.

En 1876, Willard Gibbs a publié le traité "Sur l'équilibre des substances hétérogènes" (Sur l'équilibre des substances hétérogènes) qui montrait comment un processus thermodynamique pouvait être représenté graphiquement et comment étudier l'énergie, l'entropie, le volume, la température et la pression pourrait prévoir l'éventuelle spontanéité du processus considéré.

Le cas de la thermodynamique est emblématique de l'histoire et de «l'épistémologie de la science: c'est l'un de ces cas où la pratique a été la pionnière de la théorie elle-même: le premier est conçu pour la machine à vapeur, puis son fonctionnement théorique a été systématisé par ses principes de base.

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Date de publication : 7 mars 2018
Dernier examen : 31 mars 2020