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La branche de la science appelée thermodynamique traite des systèmes capables de transférer l’énergie thermique dans au moins une autre forme d’énergie (mécanique, électrique, etc.) ou dans le travail. Les lois de la thermodynamique ont été développées au fil des ans et constituent certaines des règles les plus fondamentales qui sont suivies lorsqu’un système thermodynamique subit une sorte de changement d’énergie.
Histoire de la thermodynamique
L’histoire de la thermodynamique commence avec Otto von Guericke qui, en 1650, a construit la première pompe à vide du monde et a fait la démonstration d’un vide en utilisant ses hémisphères de Magdebourg. Guericke a été poussé à faire le vide pour réfuter la supposition d’Aristote selon laquelle « la nature abhorre le vide ». Peu de temps après Guericke, le physicien et chimiste anglais Robert Boyle a eu connaissance des plans de Guericke et, en 1656, en coordination avec le scientifique anglais Robert Hooke, a construit une pompe à air. En utilisant cette pompe, Boyle et Hooke ont remarqué une corrélation entre la pression, la température et le volume. Avec le temps, la loi de Boyle a été formulée, qui stipule que la pression et le volume sont inversement proportionnels.
Conséquences des lois de la thermodynamique
Les lois de la thermodynamique ont tendance à être assez faciles à énoncer et à comprendre… à tel point qu’il est facile de sous-estimer leur impact. Entre autres choses, elles imposent des contraintes sur la façon dont l’énergie peut être utilisée dans l’univers. Il serait très difficile d’insister sur l’importance de ce concept. Les conséquences des lois de la thermodynamique touchent d’une manière ou d’une autre presque tous les aspects de la recherche scientifique.
Concepts clés pour comprendre les lois de la thermodynamique
Pour comprendre les lois de la thermodynamique, il est essentiel de comprendre certains autres concepts de la thermodynamique qui s’y rapportent.
- Aperçu de la thermodynamique – un aperçu des principes de base du domaine de la thermodynamique
- L’énergie thermique – une définition de base de l’énergie thermique
- La température – une définition de base de la température
- Introduction au transfert de chaleur – une explication des différentes méthodes de transfert de chaleur.
- Processus thermodynamiques – les lois de la thermodynamique s’appliquent principalement aux processus thermodynamiques, lorsqu’un système thermodynamique passe par une sorte de transfert énergétique.
Développement des lois de la thermodynamique
L’étude de la chaleur en tant que forme d’énergie distincte a commencé vers 1798, lorsque Sir Benjamin Thompson (également connu sous le nom de Count Rumford), un ingénieur militaire britannique, a remarqué que la chaleur pouvait être produite proportionnellement à la quantité de travail effectuée… un concept fondamental qui allait finalement devenir une conséquence de la première loi de la thermodynamique.
Le physicien français Sadi Carnot a formulé pour la première fois un principe de base de la thermodynamique en 1824. Les principes utilisés par Carnot pour définir son moteur thermique du cycle de Carnot seront finalement traduits dans la deuxième loi de la thermodynamique par le physicien allemand Rudolf Clausius, qui est également fréquemment crédité de la formulation de la première loi de la thermodynamique.
Le développement rapide de la thermodynamique au XIXe siècle s’explique en partie par la nécessité de mettre au point des machines à vapeur efficaces pendant la révolution industrielle.
Théorie cinétique et lois de la thermodynamique
Les lois de la thermodynamique ne s’intéressent pas particulièrement au comment et au pourquoi spécifiques du transfert de chaleur, ce qui est logique pour des lois qui ont été formulées avant l’adoption complète de la théorie atomique. Elles traitent de la somme totale des transitions d’énergie et de chaleur au sein d’un système et ne tiennent pas compte de la nature spécifique du transfert de chaleur au niveau atomique ou moléculaire.
La loi de l’éther zéro de la thermodynamique
Cette loi du zéro est une sorte de propriété transitive de l’équilibre thermique. La propriété transitive des mathématiques dit que si A = B et B = C, alors A = C. Il en va de même pour les systèmes thermodynamiques qui sont en équilibre thermique.
Une des conséquences de la loi du zéro est l’idée que la mesure de la température a un sens quelconque. Pour mesurer la température, il faut atteindre un équilibre thermique entre le thermomètre dans son ensemble, le mercure à l’intérieur du thermomètre et la substance à mesurer. Cela permet de savoir avec précision quelle est la température de la substance.
Cette loi a été comprise sans être explicitement énoncée pendant une grande partie de l’histoire de l’étude de la thermodynamique, et ce n’est qu’au début du XXe siècle qu’on s’est rendu compte qu’il s’agissait d’une loi à part entière. C’est le physicien britannique Ralph H. Fowler qui, le premier, a inventé le terme « loi zéro », en se fondant sur la conviction qu’elle était plus fondamentale encore que les autres lois.
La première loi de la thermodynamique
Bien que cela puisse paraître complexe, c’est en réalité une idée très simple. Si vous ajoutez de la chaleur à un système, il n’y a que deux choses qui peuvent être faites : changer l’énergie interne du système ou faire fonctionner le système (ou, bien sûr, une combinaison des deux). Toute l’énergie thermique doit être utilisée pour faire ces deux choses.
Représentation mathématique de la première loi
Les physiciens utilisent généralement des conventions uniformes pour représenter les quantités dans la première loi de la thermodynamique. Elles le sont :
- U1 (ou Ui) = énergie interne initiale au début du processus
- U2 (ou Uf) = énergie interne finale à la fin du processus
- delta-U = U2 – U1 = Variation de l’énergie interne (utilisé dans les cas où les spécificités des énergies internes de début et de fin ne sont pas pertinentes)
- Q = chaleur transférée dans (Q > 0) ou hors (Q < 0) du système
- W = travail effectué par le système (W > 0) ou sur le système (W < 0).
Cela donne une représentation mathématique de la première loi qui s’avère très utile et peut être réécrite de plusieurs manières utiles :
L’analyse d’un processus thermodynamique, au moins dans une situation de classe de physique, implique généralement l’analyse d’une situation où l’une de ces quantités est soit 0, soit au moins contrôlable de manière raisonnable. Par exemple, dans un processus adiabatique, le transfert de chaleur (Q) est égal à 0 alors que dans un processus isochore, le travail (W) est égal à 0.
La première loi et les économies d’énergie
La première loi de la thermodynamique est considérée par beaucoup comme le fondement du concept d’économie d’énergie. Elle dit essentiellement que l’énergie qui entre dans un système ne peut pas être perdue en cours de route, mais doit être utilisée pour faire quelque chose… dans ce cas, soit changer l’énergie interne, soit effectuer un travail.
Dans cette optique, la première loi de la thermodynamique est l’un des concepts scientifiques les plus vastes jamais découverts.
La deuxième loi de la thermodynamique
Deuxième loi de la thermodynamique : La deuxième loi de la thermodynamique est formulée de nombreuses façons, comme nous le verrons bientôt, mais il s’agit essentiellement d’une loi qui – contrairement à la plupart des autres lois de la physique – ne porte pas sur la manière de faire quelque chose, mais qui vise plutôt à restreindre ce qui peut être fait.
C’est une loi qui dit que la nature nous empêche d’obtenir certains types de résultats sans y consacrer beaucoup de travail, et en tant que telle, elle est aussi étroitement liée au concept de conservation de l’énergie, tout comme la première loi de la thermodynamique.
Dans la pratique, cette loi signifie que tout moteur thermique ou dispositif similaire basé sur les principes de la thermodynamique ne peut, même en théorie, être efficace à 100 %.
Ce principe a d’abord été mis en lumière par le physicien et ingénieur français Sadi Carnot, lorsqu’il a développé son moteur à cycle Carnot en 1824, et a ensuite été formalisé sous la forme d’une loi de thermodynamique par le physicien allemand Rudolf Clausius.
L’entropie et la deuxième loi de la thermodynamique
La deuxième loi de la thermodynamique est peut-être la plus populaire en dehors du domaine de la physique car elle est étroitement liée au concept d’entropie ou au désordre créé au cours d’un processus thermodynamique. Reformulée comme une déclaration concernant l’entropie, la deuxième loi est la suivante
Dans tout système fermé, en d’autres termes, chaque fois qu’un système passe par un processus thermodynamique, le système ne peut jamais revenir exactement au même état qu’avant. C’est une des définitions utilisées pour la flèche du temps puisque l’entropie de l’univers augmentera toujours avec le temps selon la deuxième loi de la thermodynamique.
Autres formulations de la deuxième loi
Une transformation cyclique dont le seul résultat final est de transformer en travail la chaleur extraite d’une source qui est à la même température tout au long est impossible. – Le physicien écossais William Thompson ( Une transformation cyclique dont le seul résultat final est de transférer de la chaleur d’un corps à une température donnée à un corps à une température plus élevée est impossible. – Le physicien allemand Rudolf Clausius
Toutes les formulations ci-dessus de la deuxième loi de la thermodynamique sont des énoncés équivalents du même principe fondamental.
La troisième loi de la thermodynamique
La troisième loi de la thermodynamique est essentiellement une déclaration sur la capacité à créer une échelle de température absolue, pour laquelle le zéro absolu est le point auquel l’énergie interne d’un solide est précisément 0.
Diverses sources montrent les trois formulations potentielles suivantes de la troisième loi de la thermodynamique :
- Il est impossible de réduire un système au zéro absolu dans une série d’opérations finies.
- L’entropie d’un cristal parfait d’un élément dans sa forme la plus stable tend vers zéro lorsque la température s’approche du zéro absolu.
- Lorsque la température s’approche du zéro absolu, l’entropie d’un système se rapproche d’une constante
Ce que signifie la troisième loi
La troisième loi a quelques significations et, là encore, toutes ces formulations aboutissent au même résultat selon le degré de prise en compte :
La formulation 3 contient le moins de contraintes, se contentant d’indiquer que l’entropie va à une constante. En fait, cette constante est l’entropie zéro (comme indiqué dans la formulation 2). Cependant, en raison des contraintes quantiques de tout système physique, elle s’effondrera dans son état quantique le plus bas mais ne pourra jamais être parfaitement réduite à une entropie nulle, il est donc impossible de réduire un système physique au zéro absolu en un nombre fini d’étapes (ce qui nous donne la formulation 1).
