Aperçu et concepts de base de la thermodynamique

La thermodynamique est le domaine de la physique qui traite de la relation entre la chaleur et d’autres propriétés (telles que la pression, la densité, la température, etc.) dans une substance.

Plus précisément, la thermodynamique se concentre principalement sur la façon dont un transfert de chaleur est lié à divers changements d’énergie au sein d’un système physique soumis à un processus thermodynamique. Ces processus se traduisent généralement par un travail effectué par le système et sont guidés par les lois de la thermodynamique.

Concepts de base du transfert de chaleur

De manière générale, la chaleur d’un matériau est comprise comme une représentation de l’énergie contenue dans les particules de ce matériau. C’est ce qu’on appelle la théorie cinétique des gaz, bien que le concept s’applique à des degrés divers aux solides et aux liquides également. La chaleur provenant du mouvement de ces particules peut être transférée dans les particules voisines, et donc dans d’autres parties du matériau ou d’autres matériaux, par divers moyens :

• Le contact thermique est le cas où deux substances peuvent affecter la température de l’autre.
• On parle d’équilibre thermique lorsque deux substances en contact thermique ne transfèrent plus de chaleur.
• La dilatation thermique a lieu lorsqu’une substance se dilate en volume en gagnant de la chaleur. Il existe également une contraction thermique.
• La conduction, c’est quand la chaleur circule à travers un solide chauffé.
• La convection est un phénomène par lequel des particules chauffées transfèrent de la chaleur à une autre substance, par exemple en faisant cuire quelque chose dans de l’eau bouillante.
• On parle de rayonnement lorsque la chaleur est transférée par des ondes électromagnétiques, comme celles du soleil.
• On parle d’isolation lorsqu’un matériau peu conducteur est utilisé pour empêcher le transfert de chaleur.

Procédés thermodynamiques

Un système subit un processus thermodynamique lorsqu’il y a une sorte de changement énergétique au sein du système, généralement associé à des changements de pression, de volume, d’énergie interne (c’est-à-dire de température), ou toute sorte de transfert de chaleur.

Il existe plusieurs types spécifiques de processus thermodynamiques qui ont des propriétés particulières :

États de la matière

Un état de la matière est une description du type de structure physique que manifeste une substance matérielle, avec des propriétés qui décrivent comment la matière tient ensemble (ou non). Il existe cinq états de la matière, bien que seuls les trois premiers soient généralement inclus dans la façon dont nous pensons aux états de la matière :

De nombreuses substances peuvent passer des phases gazeuses, liquides et solides de la matière, tandis que seules quelques rares substances sont connues pour pouvoir entrer dans un état superflu. Le plasma est un état distinct de la matière, comme la foudre

• condensation – gaz à liquide
• congélation – de liquide à solide
• fusion – de solide à liquide
• sublimation – du solide au gaz
• la vaporisation – liquide ou solide à gaz

Capacité thermique

La capacité thermique, C, d’un objet est le rapport entre le changement de chaleur (changement d’énergie, ΔQ, où le symbole grec Delta, Δ, indique un changement de la quantité) et le changement de température (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

La capacité thermique d’une substance indique la facilité avec laquelle une substance se réchauffe. Un bon conducteur thermique aurait une faible capacité thermique, ce qui indique qu’une petite quantité d’énergie provoque un grand changement de température. Un bon isolant thermique aurait une grande capacité thermique, ce qui indique qu’un grand transfert d’énergie est nécessaire pour un changement de température.

Équations du gaz idéal

Il existe plusieurs équations du gaz idéal qui mettent en relation la température (T1), la pression (P1) et le volume (V1). Ces valeurs, après un changement thermodynamique, sont indiquées par (T2), (P2) et (V2). Pour une quantité donnée d’une substance, n (mesurée en moles), les relations suivantes sont valables :

La loi de Boyle ( T est constant):P 1 V 1 = P 2 V 2Loi Charles/Gay-Lussac (P est constant):V1/T1 = V2/T2Loi sur le gaz idéal:P1V1/T1 = P2V2/T2 = nR

R est la constante de gaz idéale, R = 8,3145 J/mol*K. Pour une quantité de matière donnée, nR est donc constant, ce qui donne la loi du gaz idéal.

Les lois de la thermodynamique

• Loi de la thermodynamique à zéro – Deux systèmes sont en équilibre thermique l’un par rapport à l’autre, avec un troisième système en équilibre thermique.
• Première loi de la thermodynamique – La variation de l’énergie d’un système est la quantité d’énergie ajoutée au système moins l’énergie dépensée pour le travail.
• Deuxième loi de la thermodynamique – Il est impossible qu’un processus ait pour seul résultat le transfert de chaleur d’un corps plus froid vers un corps plus chaud.
• Troisième loi de la thermodynamique – Il est impossible de réduire un système au zéro absolu dans une série d’opérations finies. Cela signifie qu’il est impossible de créer un moteur thermique parfaitement efficace.

La deuxième loi et l’entropie

La deuxième loi de la thermodynamique peut être reformulée pour parler de l’entropie, qui est une mesure quantitative du désordre dans un système. Le changement de chaleur divisé par la température absolue est le changement d’entropie du processus. Définie de cette façon, la deuxième loi peut être reformulée comme suit

Dans tout système fermé, l’entropie du système reste constante ou augmente.

Par « système fermé », on entend que chaque partie du processus est incluse dans le calcul de l’entropie du système.

En savoir plus sur la thermodynamique

D’une certaine manière, traiter la thermodynamique comme une discipline distincte de la physique est trompeur. La thermodynamique touche pratiquement tous les domaines de la physique, de l’astrophysique à la biophysique, car ils traitent tous d’une manière ou d’une autre du changement d’énergie dans un système. Sans la capacité d’un système à utiliser l’énergie à l’intérieur du système pour effectuer un travail – le cœur de la thermodynamique – il n’y aurait rien à étudier pour les physiciens.

Cela étant dit, certains domaines utilisent la thermodynamique en passant pour étudier d’autres phénomènes, tandis que d’autres se concentrent sur les situations thermodynamiques en jeu. Voici quelques-uns des sous-domaines de la thermodynamique :

• Cryophysique / Cryogénie / Physique des basses températures – l’étude des propriétés physiques dans des situations de basses températures, bien en dessous des températures rencontrées même dans les régions les plus froides de la Terre. L’étude des superfluides en est un exemple.
• Dynamique des fluides / Mécanique des fluides – l’étude des propriétés physiques des « fluides », spécifiquement définis dans ce cas comme étant des liquides et des gaz.
• Physique des hautes pressions – l’étude de la physique dans les systèmes à très haute pression, généralement liée à la dynamique des fluides.
• Météorologie / Physique du temps – la physique du temps, les systèmes de pression dans l’atmosphère, etc.
• Physique des plasmas – l’étude de la matière à l’état de plasma.