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 impliquant des changements dans les variables d'état de température et d'énergie au niveau macrosopique.
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, dont on suppose souvent par commodité qu'elle 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 d'atteindre des conditions d'équilibre stables.
Quelles sont les lois 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 de véritables axiomes, 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 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. 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 équilibre entre eux.
Ce principe explique le fait que deux corps à des températures différentes, entre lesquels s'échange de la chaleur (même si ce concept n'est pas présent dans le principe du zéro) finissent par atteindre la même température.
Dans le principe de formulation zéro cinétique de la thermodynamique est une tendance à atteindre une énergie cinétique moyenne commune des atomes et des molécules des corps entre lesquels l'échange de chaleur conduit: en moyenne, à la suite de collisions des particules du corps plus chaudes, en moyenne, plus rapides , avec des particules corporelles plus froides, en moyenne plus lentes, 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 est mis 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 égales, favorisant 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 plus chaud, passait dans le corps plus froid.
Cette substance hypothétique, appelée calorique, était considérée comme un fluide capable de se déplacer à travers une 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 n'est pas une substance matérielle.
La chaleur, mesurée à l'origine en calories, et le travail ou l'énergie, mesurés en joules, se sont révélés expérimentalement 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 produise du travail sans consommer d'énergie. Une machine semblable, si elle existait, produirait en fait ce qu'on appelle le mouvement perpétuel de la première espèce.
Le premier principe est traditionnellement énoncé 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 s'exprime ainsi :
U = Q - L
où U est l'énergie interne du système, Q est la chaleur fournie au système et L est le travail effectué par le système.
L'énergie interne signifie la somme des énergies cinétiques et de l'interaction des différentes particules dans un système. Q es el calor intercambiado entre el ambiente y el sistema (positivo si se suministra al sistema, negativo si es transferido por el sistema) y L el trabajo realizado (positivo si el sistema lo realiza en el ambiente, negativo si lo hace el ambiente en le système).
La convention de signe 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 =? où ? E est affecté 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 se retrouve, à la fin de chaque cycle, à nouveau dans les mêmes conditions de départ.
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 précise qu'« il est impossible de réaliser une machine cyclique qui n'aboutit qu'au transfert de chaleur d'un corps froid vers un corps chaud » (énoncé de 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" (énoncé de Kelvin).
Cette dernière limitation nie la possibilité d'effectuer le soi-disant mouvement perpétuel de la 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
Il est étroitement lié à ce dernier et, dans certains cas, est considéré comme une conséquence de ce dernier. On peut affirmer en disant qu'"il est impossible d'atteindre le zéro absolu avec un nombre fini de transformations" et fournit une définition précise de la quantité appelée entropie.
Il indique également que l'entropie d'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 (Ils sont tous des moyens de organiser les molécules, si les molécules sont toutes les mêmes, quelle que soit la façon dont elles sont disposées, macroscopiquement le cristal est toujours le même) et, étant 0 kelvin, l'énergie de vibration, de translation et de rotation des particules qui la composent n'est rien, donc, 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'est Sadi Carnot, en 1824, le premier à montrer qu'un travail peut être obtenu à partir de l'échange de chaleur entre deux sources à des températures différentes. A 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 le moteur Carnot, a introduit le concept de température thermodynamique effective et est responsable d'un énoncé du deuxième principe de la thermodynamique.
En 1850, James Prescott Joule démontra l'égalité des deux formes d'énergie (alors on croyait 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 atterri Clausius qui en 1855 a présenté son inégalité pour reconnaître les processus réversibles de l'irréversible et l'état de la fonction d'entropie.
En 1876, Willard Gibbs publia 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 de cette manière l'énergie, l'entropie, le volume, la température et la pression. prévoir la spontanéité éventuelle du processus considéré.
Le cas de la thermodynamique est emblématique dans l'histoire et dans « l'épistémologie des sciences : c'est un de ces cas où la pratique a pionné la théorie elle-même : la première est conçue pour la machine à vapeur, puis son fonctionnement théorique a été systématisé à travers ses principes de base. .
Qu'est-ce que la thermodynamique chimique ?
La thermodynamique chimique est l'étude de l'interrelation entre la chaleur et le travail avec des réactions chimiques ou avec des changements d'état physiques dans les limites des lois thermodynamiques.
