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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, de température ou à toute sorte de transfert de chaleur.
Principaux types de processus thermodynamiques
Il existe plusieurs types spécifiques de processus thermodynamiques qui se produisent assez fréquemment (et dans des situations pratiques) pour être couramment traités dans l’étude de la thermodynamique. Chacun d’entre eux possède un trait unique qui l’identifie et qui est utile pour analyser les changements d’énergie et de travail liés au processus.
Il est possible d’avoir plusieurs processus au sein d’un même processus. L’exemple le plus évident serait un cas où le volume et la pression changent, n’entraînant aucun changement de température ou de transfert de chaleur – un tel processus serait à la fois adiabatique et isotherme.
La première loi de la thermodynamique
En termes mathématiques, la première loi de la thermodynamique peut s’écrire comme suit :
delta- U = Q – W ou Q = delta- U + Woù
- delta-U = changement d’énergie interne du système
- Q = chaleur transférée dans ou hors du système.
- W = travail effectué par ou sur le système.
En analysant l’un des processus thermodynamiques spéciaux décrits ci-dessus, nous trouvons souvent (mais pas toujours) un résultat très heureux – une de ces quantités se réduit à zéro !
Par exemple, dans un processus adiabatique, il n’y a pas de transfert de chaleur, donc Q = 0, ce qui donne une relation très simple entre l’énergie interne et le travail : delta-Q = -W. Voir les définitions individuelles de ces processus pour plus de détails sur leurs propriétés uniques.
Processus réversibles
La plupart des processus thermodynamiques se déroulent naturellement d’une direction à l’autre. En d’autres termes, ils ont une direction préférée.
La chaleur circule d’un objet plus chaud vers un objet plus froid. Les gaz se dilatent pour remplir une pièce, mais ne se contractent pas spontanément pour remplir un espace plus petit. L’énergie mécanique peut être entièrement convertie en chaleur, mais il est pratiquement impossible de convertir complètement la chaleur en énergie mécanique.
Toutefois, certains systèmes sont réversibles. Généralement, cela se produit lorsque le système est toujours proche de l’équilibre thermique, à la fois à l’intérieur du système lui-même et avec tout environnement. Dans ce cas, des changements infinitésimaux des conditions du système peuvent provoquer un processus inverse. En tant que tel, un processus réversible est également connu sous le nom de processus d’équilibre.
Exemple 1 : Deux métaux (A & B) sont en contact thermique et en équilibre thermique. Le métal A est chauffé en quantité infinitésimale, de sorte que la chaleur circule de ce métal vers le métal B. Ce processus peut être inversé en refroidissant A en quantité infinitésimale, et la chaleur commencera alors à circuler de B vers A jusqu’à ce qu’ils soient à nouveau en équilibre thermique.
Exemple 2 : Un gaz est détendu lentement et de manière adiabatique dans un processus réversible. En augmentant la pression d’une quantité infinitésimale, le même gaz peut se comprimer lentement et de manière adiabatique pour revenir à l’état initial.
Il convient de noter qu’il s’agit là d’exemples quelque peu idéalisés. Pour des raisons pratiques, un système qui est en équilibre thermique cesse d’être en équilibre thermique une fois que l’un de ces changements est introduit… le processus n’est donc pas en fait complètement réversible. Il s’agit d’un modèle idéalisé de la façon dont une telle situation se produirait, bien qu’avec un contrôle minutieux des conditions expérimentales, un processus extrêmement proche de la réversibilité totale puisse être mis en œuvre.
Les processus irréversibles et la deuxième loi de la thermodynamique
Bien entendu, la plupart des processus sont irréversibles (ou de non-équilibre). L’utilisation du frottement de vos freins pour effectuer des travaux sur votre voiture est un processus irréversible. Laisser l’air d’un lâcher de ballons dans la pièce est un processus irréversible. Placer un bloc de glace sur une passerelle en ciment chaud est un processus irréversible.
Dans l’ensemble, ces processus irréversibles sont une conséquence de la deuxième loi de la thermodynamique, qui est fréquemment définie en termes d’entropie, ou de désordre, d’un système.
Il y a plusieurs façons d’exprimer la deuxième loi de la thermodynamique, mais elle limite essentiellement l’efficacité de tout transfert de chaleur. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, une partie de la chaleur sera toujours perdue dans le processus, c’est pourquoi il n’est pas possible d’avoir un processus complètement réversible dans le monde réel.
Moteurs thermiques, pompes à chaleur et autres dispositifs
Nous appelons moteur thermique tout dispositif qui transforme partiellement la chaleur en travail ou en énergie mécanique. Un moteur thermique fait cela en transférant de la chaleur d’un endroit à un autre, ce qui permet d’effectuer un certain travail en cours de route.
Grâce à la thermodynamique, il est possible d’analyser le rendement thermique d’un moteur thermique, et c’est un sujet abordé dans la plupart des cours d’introduction à la physique. Voici quelques moteurs thermiques qui sont fréquemment analysés dans les cours de physique :
- Moteur à combustion interne – Un moteur à essence comme ceux utilisés dans les automobiles. Le « cycle d’Otto » définit le processus thermodynamique d’un moteur à essence ordinaire. Le « cycle Diesel » se réfère aux moteurs diesel.
- Réfrigérateur – Moteur thermique en marche arrière, le réfrigérateur prend la chaleur d’un endroit froid (à l’intérieur du réfrigérateur) et la transfère à un endroit chaud (à l’extérieur du réfrigérateur).
- Pompe à chaleur – Une pompe à chaleur est un type de moteur thermique, similaire à un réfrigérateur, qui est utilisé pour chauffer des bâtiments en refroidissant l’air extérieur.
Le cycle de Carnot
En 1924, l’ingénieur français Sadi Carnot a créé un moteur idéalisé et hypothétique qui avait le maximum d’efficacité possible, conformément à la deuxième loi de la thermodynamique. Il est arrivé à l’équation suivante pour son efficacité, eCarnot :
e Carnot = ( T H – T C ) / T H
TH et TC sont les températures des réservoirs chauds et froids, respectivement. Avec une très grande différence de température, vous obtenez un rendement élevé. Un faible rendement est obtenu si la différence de température est faible. Vous n’obtenez un rendement de 1 (rendement de 100 %) que si TC = 0 (c’est-à-dire en valeur absolue), ce qui est impossible.
