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Lois de la thermodynamique

Lois de la thermodynamique

La branche de la science appelée thermodynamique traite des systèmes capables de transférer de 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 font partie 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, construisit la première pompe à vide au monde et fit la démonstration d'un vide en utilisant ses hémisphères de Magdebourg. Guericke était poussé à faire le vide pour réfuter la supposition de longue date d'Aristote selon laquelle "la nature a horreur du vide". Peu de temps après Guericke, le physicien et chimiste anglais Robert Boyle avait eu connaissance des conceptions de Guericke et, en 1656, construisit une pompe à air en coordination avec le scientifique anglais Robert Hooke. À l'aide de cette pompe, Boyle et Hooke ont constaté 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, ils imposent des contraintes sur la manière dont l'énergie peut être utilisée dans l'univers. Il serait très difficile de trop insister sur l’importance de ce concept. Les conséquences des lois de la thermodynamique touchent à peu près 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 d’autres concepts de thermodynamique qui les concernent.

  • Aperçu de la thermodynamique - aperçu des principes de base du domaine de la thermodynamique
  • Énergie thermique - définition de base de l'énergie thermique
  • 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 subit une sorte de transfert d'énergie.

Développement des lois de la thermodynamique

L’étude de la chaleur en tant que forme d’énergie distincte a débuté vers 1798 environ lorsque Sir Benjamin Thompson (également connu sous le nom de Count Rumford), ingénieur militaire britannique, remarqua que la chaleur pouvait être générée proportionnellement à la quantité de travail effectué… un concept fondamental qui deviendrait finalement une conséquence de la première loi de la thermodynamique.

Le physicien français Sadi Carnot avait formulé pour la première fois un principe de base de la thermodynamique en 1824. Les principes que Carnot avait utilisés Cycle Carnot Le moteur thermique se traduirait finalement dans la deuxième loi de la thermodynamique par le physicien allemand Rudolf Clausius, qui est également souvent crédité de la formulation de la première loi de la thermodynamique.

Une des raisons du développement rapide de la thermodynamique au XIXe siècle était la nécessité de développer des moteurs à vapeur efficaces pendant la révolution industrielle.

Théorie cinétique et les lois de la thermodynamique

Les lois de la thermodynamique ne concernent pas particulièrement le comment et le pourquoi du transfert de chaleur, ce qui est logique pour les lois qui ont été formulées avant l'adoption complète de la théorie atomique. Ils traitent de la somme totale des transitions d'énergie et de chaleur au sein d'un système et ne prennent pas en compte la nature spécifique du transfert de chaleur au niveau atomique ou moléculaire.

La loi zéroeth de la thermodynamique

Cette loi zéro est en quelque sorte la 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 en équilibre thermique.

L’une des conséquences de la loi zéro est l’idée que la mesure de la température a une signification quelconque. Afin de mesurer la température, il faut atteindre l'équilibre thermique entre le thermomètre dans son ensemble, le mercure à l'intérieur du thermomètre et la substance à mesurer. Ceci, à son tour, permet de dire avec précision quelle est la température de la substance.

Cette loi a été comprise sans être explicitement énoncée dans une grande partie de l’histoire de l’étude de la thermodynamique et il a seulement été compris qu’il s’agissait d’une loi en soi au début du XXe siècle. C'est le physicien britannique Ralph H. Fowler qui a inventé pour la première fois le terme «loi zéroeth», fondé sur la conviction qu'il était plus fondamental que les autres lois.

La première loi de la thermodynamique

Bien que cela puisse paraître complexe, c'est vraiment une idée très simple. Si vous ajoutez de la chaleur à un système, il n'y a que deux choses à faire: modifier l'énergie interne du système ou le faire fonctionner (ou bien sûr, une combinaison des deux). Toute l'énergie thermique doit être utilisée pour faire ces choses.

Représentation mathématique de la première loi

Les physiciens utilisent généralement des conventions uniformes pour représenter les quantités dans le premier principe de la thermodynamique. Elles sont:

  • U1 (ouUi) = énergie interne initiale au début du processus
  • U2 (ouUf) = énergie interne finale à la fin du processus
  • delta-U = U2 - U1 = changement d'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 sur (Q <0) le 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 deux manières utiles:

L'analyse d'un processus thermodynamique, du moins dans une situation de classe de physique, consiste généralement à analyser une situation dans laquelle l'une de ces quantités est égale à 0 ou 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 la conservation de l'énergie

La première loi de la thermodynamique est considérée par beaucoup comme le fondement du concept de conservation de l’énergie. Il 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 ou effectuer un travail.

Pris dans cette perspective, la première loi de la thermodynamique est l’un des concepts scientifiques les plus ambitieux jamais découverts.

La deuxième loi de la thermodynamique

Deuxième loi de la thermodynamique: La deuxième loi de la thermodynamique est formulée de différentes manières, comme nous le verrons, une restriction sur ce qui peut être fait.

C’est une loi qui dit que la nature nous empêche d’obtenir certains résultats sans y mettre beaucoup de travail. Elle est donc étroitement liée au concept de conservation de l’énergie, à l’instar de la première loi de la thermodynamique.

Dans les applications pratiques, cette loi signifie que toutmoteur thermique Un dispositif similaire basé sur les principes de la thermodynamique ne peut, même en théorie, être efficace à 100%.

Ce principe a été éclairé pour la première fois par le physicien et ingénieur français Sadi Carnot, qui a développé sonCycle Carnot moteur en 1824, et a ensuite été formalisé comme une loi de la 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 lors d'un processus thermodynamique. Reformulé comme une déclaration concernant l'entropie, la deuxième loi se lit comme suit:

En d’autres termes, dans tout système fermé, chaque fois qu’un système passe par un processus thermodynamique, il ne peut jamais revenir complètement au même état qu’il était auparavant. C’est une définition utilisée pourflèche 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 toujours à la même température est impossible. - Le physicien écossais William Thompson (Une transformation cyclique dont le seul résultat final est de transférer 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 déclarations équivalentes du même principe fondamental.

La troisième loi de la thermodynamique

La troisième loi de la thermodynamique est essentiellement une déclaration sur la capacité de créer unabsolu échelle de température, pour laquelle le zéro absolu est le point auquel l'énergie interne d'un solide est précisément égale à 0.

Diverses sources montrent les trois formulations suivantes de la troisième loi de la thermodynamique:

  1. Il est impossible de réduire un système à zéro absolu dans une série finie d'opérations.
  2. L'entropie d'un cristal parfait d'un élément dans sa forme la plus stable tend vers zéro lorsque la température se rapproche du zéro absolu.
  3. Lorsque la température approche le zéro absolu, l’entropie d’un système se rapproche d’une constante

Que signifie la troisième loi

La troisième loi signifie quelques choses, et encore une fois, toutes ces formulations aboutissent au même résultat en fonction de la quantité que vous prenez en compte:

La formulation 3 contient les moins de contraintes, indiquant simplement que l'entropie va à une constante. En fait, cette constante est une entropie zéro (comme indiqué dans la formulation 2). Cependant, en raison de contraintes quantiques sur tout système physique, il s'effondrera dans son état quantique le plus bas mais ne sera jamais capable de réduire parfaitement l'entropie à 0. Il est donc impossible de réduire un système physique à zéro absolu en un nombre fini d'étapes nous donne la formulation 1).

Voir la vidéo: Premier principe de la thermodynamique - Energie interne (Juillet 2020).