L'étude de la thermodynamique est la branche de la physique qui étudie et décrit les transformations thermodynamiques induites par la chaleur et le travail dans un système thermodynamique. Ces transformations sont le résultat de processus qui impliquent des changements dans les variables d'état de température et d'énergie au niveau macroscopique.
La thermodynamique classique est basée sur le concept d'un système macroscopique, c'est-à-dire une portion de masse physiquement ou conceptuellement séparée de l'environnement extérieur, souvent supposée par commodité non 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.
Lois classiques de la thermodynamique
Les principes de la thermodynamique ont été énoncés au XIXe siècle et règlent les transformations thermodynamiques, leur déroulement, leurs limites. Ce sont des axiomes réels, non prouvés et non démontrables, 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 commune 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 en équilibre thermique équilibre d'équilibre entre eux.
Ce principe explique le fait que deux corps à des températures différentes, entre lesquels s'échangent de la chaleur (même si cette notion n'est pas présente dans le principe du zéro) finissent par atteindre la même température.
Première loi de la thermodynamique
La première loi de la thermodynamique classique, également connue sous le nom de principe de conservation de l'énergie, stipule que l'énergie totale d'un système isolé est conservée. En d'autres termes, l'énergie ne peut pas être créée ou détruite, elle peut seulement être transformée d'une forme à une autre.
La formulation mathématique de la première loi de la thermodynamique est :
ΔU = Q - W
où ΔU représente la variation de l'énergie interne du système, Q est la chaleur transférée au système depuis l'environnement et W est le travail effectué par le système sur l'environnement.
Cette équation indique que tout changement dans l'énergie interne d'un système est dû au transfert de chaleur et au travail effectué. Si Q est positif, cela signifie que de la chaleur est fournie au système, tandis que s'il est négatif, le système libère de la chaleur dans l'environnement. De même, si W est positif, cela indique que le système fonctionne sur l'environnement, et s'il est négatif, l'environnement fonctionne sur le système.
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 stipule 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" (énoncé de Clausius) ou, de manière équivalente, qu'"il est impossible de réaliser une transformation dont le résultat est seulement celui de convertir la chaleur extraite d'une source unique en travail mécanique » (déclaration de Kelvin).
Cette dernière limitation nie la possibilité de réaliser le soi-disant mouvement perpétuel du second type. L'entropie totale 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
La troisième loi de la thermodynamique classique stipule qu'il est impossible d'atteindre le zéro absolu (0 Kelvin) à travers un nombre fini de transformations thermodynamiques. Cette loi a été formulée par Walther Nernst en 1906.
Plus précisément, la troisième loi stipule que l'entropie d'un système pur parfaitement cristallin est nulle lorsque la température atteint le zéro absolu. L'entropie est une mesure du désordre ou du caractère aléatoire d'un système, et la troisième loi stipule que lorsque la température se rapproche du zéro absolu, l'entropie du système se rapproche également de zéro.
Applications de la thermodynamique classique
La thermodynamique classique a un large éventail d'applications pratiques. Voici quelques-uns des domaines où la thermodynamique classique est largement utilisée :
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Génie énergétique : la thermodynamique classique est essentielle pour la conception et l'optimisation des systèmes de production d'énergie, tels que les centrales électriques, les turbines à gaz, les moteurs à combustion interne et les systèmes d'énergie renouvelable. Il aide à comprendre l'efficacité énergétique, les cycles thermodynamiques et le transfert de chaleur dans ces systèmes.
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Génie chimique : la thermodynamique classique est essentielle à la conception et au fonctionnement des processus chimiques, y compris la production chimique, le raffinage du pétrole, la synthèse des matériaux et la production alimentaire. Il permet l'analyse des équilibres chimiques, les calculs de transfert de chaleur et l'optimisation des procédés.
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Froid et climatisation : La thermodynamique classique est essentielle pour comprendre les cycles de réfrigération et les systèmes de climatisation. Aide à la conception de systèmes de réfrigération, à la sélection de réfrigérants et au calcul de la capacité de refroidissement.
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Science des matériaux : La thermodynamique classique est utilisée pour étudier les propriétés des matériaux dans différents états thermodynamiques, tels que les phases solide, liquide et gazeuse. Il aide à prédire la stabilité de phase, les transitions de phase et les propriétés d'équilibre telles que la pression de vapeur et la solubilité.
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Étude de l'équilibre chimique : La thermodynamique classique est fondamentale pour comprendre l'équilibre chimique et le comportement des réactions chimiques. Il permet de déterminer si une réaction est spontanée ou non, et renseigne sur les performances thermodynamiques des processus chimiques.
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Recherche atmosphérique et climatique : La thermodynamique classique est appliquée à l'étude de l'atmosphère, du climat et des phénomènes météorologiques. Il aide à comprendre les processus de transfert de chaleur dans l'atmosphère, la formation des nuages et le rayonnement solaire.