Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

Thermodynamique

Thermodynamique

La thermodynamique est la branche de la physique classique qui étudie et décrit les transformations thermodynamiques induites par la chaleur et le travail dans un système thermodynamique, à la suite de processus impliquant des changements dans les variables de température et d'état énergétique.

Classique Thermodynamics est basée sur le concept de système macroscopique, à savoir, une partie de la masse physique ou conceptuel séparé de l'environnement extérieur, ce qui est souvent supposé pour la commodité qui ne soit pas perturbé 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 grandeurs 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 la chimie pure et appliquée.

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

Lois de la thermodynamique

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

Nous pouvons 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, ce qui leur donne une valeur numérique précise. En conséquence, lorsque deux systèmes sont en équilibre thermique avec un tiers, 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 différentes températures, entre lesquels s'échange de la chaleur (même si ce concept n'est pas présent au principe zéro) finissent par atteindre la même température.

Dans le principe cinétique zéro formulation de la thermodynamique est une tendance à arriver à une énergie cinétique moyenne commune des atomes et des molécules des corps entre lesquels conduit à l'échange de chaleur: en moyenne, à la suite des collisions des particules à partir du corps le plus chaud, en moyenne, plus vite, avec les particules du corps plus froides, en moyenne plus lentes, il y aura de l'énergie allant du premier au second, 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 est mis en contact avec un corps relativement plus froid, il se produit une transformation qui conduit à un état d'équilibre dans lequel les températures des deux corps sont égales. Pour expliquer ce phénomène, les scientifiques du dix-huitième siècle ont supposé qu'une substance, présente en plus grandes quantités dans le corps le plus chaud, a passé au corps le plus froid.

Cette substance hypothétique, appelée calorique, était considérée comme un fluide capable de se déplacer à travers 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 ce n'est pas une substance matérielle. Il a été démontré expérimentalement que la chaleur, initialement mesurée en calories et en énergie ou travail, mesurée en joules, est réellement équivalente. Chaque calorie est équivalente à environ 4,186 joules.

Le premier principe est donc un principe de conservation de l'énergie. Dans chaque machine thermique ou moteur thermique, une certaine quantité d'énergie est transformée en travail: il ne peut y avoir aucune machine qui produise 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 désigne la somme des énergies cinétiques et l'interaction des différentes particules d'un système. Q est la chaleur échangée entre le milieu et le système (positive si elle est fournie au système, négatif en cas de transfert par le système) et le travail L (positif si le système est exécuté dans l'atmosphère, si elle négative l'environnement le système). La convention des signes est influencée par le lien avec l'étude des moteurs thermiques, dans lesquels la chaleur est (partiellement) transformée en travail.

Les formulations alternatives et équivalentes du premier principe sont:

  • Pour un système ouvert, qw =? Et où? E est destiné à la variation de l'énergie totale, qui n'est pas plus que la somme des changements dans l'énergie interne, l'énergie cinétique et l'énergie potentielle que ce système a. Nous voyons que pour un système fermé les variations de l'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 d'énergie totale est nulle, le système a, à la fin de chaque cycle, de nouveau dans les mêmes conditions de départ.

Deuxième loi de la thermodynamique

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

Cette dernière limitation nie la possibilité de réaliser le soi-disant mouvement perpétuel de la seconde espèce. L'entropie du total d'un système isolé reste inchangée 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, il est considéré comme une conséquence de ce dernier. On peut l'énoncer en disant qu '«il est impossible d'atteindre le zéro absolu avec un nombre fini de transformations» et fournit une définition précise de la grandeur appelée entropie.

On dit aussi que l'entropie pour un solide parfaitement cristallin, à une température de 0 kelvin est égale à 0. Il est facile d'expliquer cette déclaration par la thermodynamique moléculaire: un solide parfaitement cristallin est composé d'un seul complexe (Tous sont des moyens pour organiser les molécules, si les molécules sont toutes les mêmes, quelle que soit leur disposition, macroscopiquement le cristal est toujours le même) et, étant à 0 kelvin, l'énergie de vibration, de translation et de rotation des particules qui il 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

C'était Sadi Carnot, en 1824, le premier à démontrer que le travail peut être obtenu à partir de l'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 quantifie ce travail et introduit le concept d'efficacité thermodynamique.

En 1848, Lord Kelvin, utilisant la machine Carnot, a introduit le concept de température thermodynamique effective et est responsable d'une déclaration du second principe de la thermodynamique.

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

Arrivé à cela, le problème se posait que, s'il était possible d'obtenir la chaleur totale du travail, il n'aurait pas été possible d'obtenir l'inverse. Ce résultat a également atterri Clausius qui, en 1855, présentait son inégalité pour reconnaître les processus réversibles de l'état de fonction irréversible et entropique.

En 1876, Willard Gibbs a publié le traité « Sur l'équilibre des substances hétérogènes » (A propos de l'équilibre des substances hétérogènes) montrant comment un processus thermodynamique pourrait tracer et comment étudier cette façon, l'énergie, l'entropie, le volume, la température et la pression pourrait prévoir la spontanéité éventuelle du processus considéré.

Le cas de la thermodynamique est emblématique dans l'histoire et dans l'épistémologie de la science: c'est un de ces cas où la pratique a été pionnière dans la théorie elle-même: la première est conçue pour la machine à vapeur, ci-dessous , son fonctionnement théorique a été systématisé à travers ses principes de base.

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Dernier examen: 7 mars 2018

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