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 de système macroscopique, c'est-à-dire une portion de masse physiquement ou conceptuellement séparée de l'environnement extérieur, qui est souvent supposée, par commodité, ne pas être perturbée par un échange d'énergie avec le système.
L'état d'un système macroscopique en 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.
Il existe cependant 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.
Qu'étudie la thermodynamique classique ?
La thermodynamique classique se concentre sur l’étude des systèmes macroscopiques en équilibre, en utilisant des propriétés mesurables et observables. Cette branche s'appuie sur des principes fondamentaux tels que la conservation de l'énergie et les lois régissant les transformations thermiques.
Outre la thermodynamique classique, il existe d’autres branches qui complètent son étude :
- Physique statistique : Relie les propriétés microscopiques des particules (atomes et molécules) aux propriétés macroscopiques observables, fournissant une interprétation microscopique des concepts thermodynamiques.
- Thermodynamique chimique : Applique les principes de la thermodynamique à l’étude des réactions chimiques et des changements de phase, en analysant comment l’énergie et l’entropie influencent la direction et l’équilibre des processus chimiques.
- Thermodynamique d'équilibre : se concentre sur les systèmes qui atteignent un état d'équilibre thermodynamique, en analysant les conditions dans lesquelles les transferts de matière et d'énergie se produisent dans ces systèmes.
- Thermodynamique hors équilibre : Étudie les systèmes qui ne sont pas en équilibre thermodynamique, en abordant les processus irréversibles et les fluctuations qui se produisent en dehors de l'équilibre.
Lois de la thermodynamique classique
Les principes de la thermodynamique ont été énoncés au cours du XIXe siècle et régissent les transformations thermodynamiques, leur progression et leurs limites. Ce sont des axiomes réels, non prouvés et indémontrables, 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. En conséquence, 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.
La loi zéro de la thermodynamique stipule simplement que si un corps « A » est en équilibre thermique avec un corps « B » et que « B » est en équilibre thermique avec un corps « C », alors « A » et « C » sont en équilibre thermique l'un avec l'autre.
Ce principe explique le fait que deux corps à températures différentes, entre lesquels il y a échange 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 être ni créée ni détruite, elle peut seulement être transformée d’une forme à une autre.
La formulation mathématique de la première loi de la thermodynamique est :
\[\Delta U = Q - W\]
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 agit sur l’environnement, et s’il est négatif, l’environnement agit sur le système.
Deuxième loi de la thermodynamique
Il existe plusieurs énoncés du deuxième principe, tous équivalents, et chaque formulation met l’accent sur un aspect particulier. Il affirme qu'« il est impossible de réaliser une machine cyclique qui aurait pour seul résultat le transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud » (affirmation de Clausius) ou, de manière équivalente, qu'« il est impossible d'effectuer une transformation dont le seul résultat serait de convertir la chaleur extraite d'une source unique en travail mécanique » (affirmation de Kelvin).
Cette dernière limitation nie la possibilité d’effectuer le mouvement dit perpétuel de seconde espèce. 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) par un nombre fini de transformations thermodynamiques. Cette loi a été formulée par Walther Nernst en 1906.
En termes plus précis, la troisième loi stipule que l’entropie d’un système pur et 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 approche du zéro absolu, l'entropie du système approche également de zéro.
Applications de la thermodynamique classique
La thermodynamique classique a une large gamme d’applications pratiques. Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des domaines dans lesquels la thermodynamique classique est largement utilisée :
- Ingénierie énergétique : La thermodynamique classique est essentielle à la conception et à 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 permet de comprendre l’efficacité énergétique, les cycles thermodynamiques et le transfert de chaleur dans ces systèmes.
- Génie chimique : La thermodynamique classique est essentielle à la conception et au fonctionnement des processus chimiques, notamment 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.
- Réfrigération et climatisation : La thermodynamique classique est essentielle pour comprendre les cycles de réfrigération et les systèmes de climatisation. Aide à la conception des systèmes de réfrigération, à la sélection des réfrigérants et au calcul de la capacité de refroidissement.
- Science des matériaux : La thermodynamique classique est utilisée pour étudier les propriétés des matériaux dans différents états thermodynamiques, tels que solide, liquide et gazeux. Il permet de prédire la stabilité de phase, les transitions de phase et les propriétés d'équilibre telles que la pression de vapeur et la solubilité.
- Étude de l’équilibre chimique : La thermodynamique classique est fondamentale pour comprendre l’équilibre chimique et le comportement des réactions chimiques. Elle permet de déterminer si une réaction est spontanée ou non, et fournit des informations sur les performances thermodynamiques des processus chimiques.
- Recherche atmosphérique et climatique : La thermodynamique classique est appliquée à l’étude de l’atmosphère, du climat et des phénomènes météorologiques. Il permet de comprendre les processus de transfert de chaleur dans l’atmosphère, la formation des nuages et le rayonnement solaire.