Thermodynamique
 |
Cet article semble trop confus et/ou trop compliqué.
|
La thermodynamique est une branche de la physique et de la chimie. C'est la science qui étudie la manière dont l'énergie sous toutes ses formes se comporte entre tous ses supports.
Résumé des points essentiels avec l'historique[modifier | modifier le wikicode]
En pratique, la thermodynamique, vers 1800, a commencé en étudiant les moteurs thermiques machines à vapeur ou à gaz chaud pour comprendre leur fonctionnement et améliorer leur rendement qui au début était faible, car avec des méthodes empiriques sans méthode scientifique précise.
Sadi Carnot en 1824 a analysé les cycles thermiques des moteurs thermiques et déterminé leur rendement maximum possible que pour un cycle parfait réversible.
Il a découvert qu'un moteur thermique ne peut fonctionner qu'avec deux sources de chaleur, une chaude et une froide et que le rendement maximum possible est fixé par le rapport des températures absolues de ces sources.
Après Joule vers 1840 a découvert et mesuré que la chaleur est une forme d'énergie du travail d'une force dégradée en chaleur utilisable qu'avec ce que Sadi Carnot avait découvert.
Après de nombreux physiciens ont développé toutes les conséquences rigoureuses sous la forme de la thermodynamique avec 3 principes résumant les observations de Joule et Sadi Carnot et toutes les conséquences en chimie, pour améliorer les machines thermiques, en réfrigérateurs, en pompes à chaleur, en météorologie, etc.. qui servent dans notre vie usuelle, modifiée par la Science et les techniques.
Utilisation dans notre vie[modifier | modifier le wikicode]
C'est grâce à la thermodynamique que l'on peut rendre le rendement réel des moteurs le plus grand possible compte tenu des limites pratiques non réversibles, aussi bien pour les moteurs à combustion, de voitures, bateaux et avions que pour les réfrigérateurs de toutes sortes. La thermodynamique est utile et indispensable dans tous les domaines de physique et chimie pour les comportements collectifs des atomes, molécules, la vitesse des sons et de la lumière. Elle permet de savoir si une réaction sera énergétiquement possible et spontanée avant de l'avoir expérimentée, en particulier les accus et piles électriques et si des composés chimiques sont stables ou instables comme certains engrais avec du nitrate d'ammonium qui peut exploser si chauffé de trop, ce qui a conduit à des catastrophes épouvantables par suite de manque de soin et de respect du danger.
C'est aussi la science des grands systèmes (plutôt un litre d'eau voire même des étoiles comme le soleil, que quelques milliers de molécules) et de la transition entre deux états d'équilibre, comme vapeur, liquide, solide et bien d'autres phases comme les supraconducteurs.
Il faut noter que si le formalisme de la thermodynamique est compliqué par suite de la rigueur nécessaire pour éviter des erreurs, les calculs mathématiques à faire sont relativement simples, utilisant le plus souvent les quatre opérations de bases et des équations à une inconnue, ainsi que les dérivées partielles, c'est à dire les vitesses des réactions en fonction des paramètres contrôlant les systèmes, comme température, volume, pression, concentration, etc. 1.
En 1900, la thermodynamique statistique de la matière et de la lumière avait un énorme problème pour décrire le rayonnement thermique lumineux du soleil aussi bien que celui infrarouge d'un radiateur, en trouvant une énergie totale infinie surtout à très haute fréquence des ondes Hertziennes lumineuses ou infrarouge (appelé catastrophe ultraviolette) et pour résoudre cette énorme difficulté thermodynamique, Planck a découvert la base fondamentale de la mécanique quantique, que l'énergie rayonnée E est limitée en paquets, quantum de photons avec E proportionnelle à leur fréquence d'oscillations comme ondes avec le facteur fondamental de proportionnalité h appelée constante de Planck. Ainsi toutes les particules sont à la fois ondes et particules décrites par la thermodynamique. Cette découverte, au début artifice mathématiques, par Planck a créé la mécanique quantique qui régit tout notre univers, combinée avec la thermodynamique, même lors du big bang au début de notre univers, il y a environ 13 milliards d'années avec une température gigantesque qui depuis diminue et qui reste encore à 2,7°K thermodynamique résiduel.
Principes[modifier | modifier le wikicode]
La thermodynamique est basée sur des principes, c'est-à-dire des affirmations (postulats) non démontrées, mais dont les conséquences logiques sont observées et vérifiées sans cesse dans tous nos objets usuels, voitures, réfrigérateurs, etc...
Principe zéro[modifier | modifier le wikicode]
Le principe zéro de la thermodynamique dit que si un système A est en équilibre par rapport à un système B et si B est en équilibre avec un système C alors A est en équilibre avec C
Premier principe[modifier | modifier le wikicode]
L'énergie se conserve. Dans un système isolé, quelles que soient les réactions qui s'y déroulent, l'énergie totale du système ne varie pas.
La chaleur est une forme de l'énergie.
Par exemple un travail mécanique de frottement donne de la chaleur, comme utilisé par les hommes préhistoriques pour faire du feu en frottant 2 morceaux de bois l'un contre l'autre avec forte énergie, bien avant Joule qui a découvert ce premier principe vers 1840 après le second principe.
Second principe[modifier | modifier le wikicode]
Ce second principe découvert par Sadi Carnot en 1824 de façon concrète et simple est le constat qu'on ne peut pas réaliser un moteur thermique qui donne du travail obtenu en refroidissant une seule source de chaleur; comme faire avancer un bateau en laissant derrière lui des gros morceaux de glace qui donneraient leur énergie thermique en étant refroidi pour faire marcher le moteur du bateau.
Ce constat conduit à la notion d'entropie, de fait la mesure du désordre des atomes ou molécules de la matière qui ne peut pas diminuer. Le bateau pour avancer ne peut pas extraire son énergie en ordonnant les molécules d'eau dans de la glace froide sans laisser beaucoup plus de désordre..sous forme d'eau chaude dans la mer, C'est à dire que le désordre total ou entropie augmente. Un moteur thermique a besoin de deux sources de chaleur, une chaude et une autre.froide.
L'entropie ne peut qu'augmenter. Ainsi, même dans un système isolé, une partie de l'énergie se dissipera sous forme d'entropie.
Notions[modifier | modifier le wikicode]
Système thermodynamique[modifier | modifier le wikicode]
Un système thermodynamique est une région de l'espace qui contient un corps. Ce système est délimité par une frontière et tous ce qui n'est pas dans ce système est appelés l’extérieur. Un système isolé est un système isolé de l'extérieur et n'échange donc rien avec l'extérieur.
Variables d'état[modifier | modifier le wikicode]
Les six variables de base de la thermodynamique aussi appelées variables d'état de la thermodynamique sont la pression, le volume, la température, la masse, le nombre de moles et la masse volumique.
On classe ces six variables en deux catégories : variable intensive et variable extensive
- Les variables intensives sont des variables qui ne dépendent pas de la quantité. Par exemple lorsqu'on verse un bol d'eau à 20 °C dans un autre bol d'eau à 20 °C, l'eau dans le bol sera toujours de 20 °C et non pas 40 °C.
- Les variables extensives sont des variables qui dépendent de la quantité ainsi si l'on verse 1 m3 et un autre mètre cube d'eau dans une baignoire, il y aura 2 m3 d'eau dans la baignoire.
Équilibre thermodynamique[modifier | modifier le wikicode]
Un système isolé finit par atteindre un état dans lequel les variables d'état ne varient pas. Cela s’appelle l'état d'équilibre du système. Par exemple, si l'on met de l'eau à 20 °C dans un récipient d'eau à 40°, il arrive un moment où l'eau à 20° chauffe jusqu'à 40°, c'est cela qu'on appelle l'état d’équilibre.
Le travail[modifier | modifier le wikicode]
Le travail est une forme d'énergie.
Le travail est le produit d'une force par un déplacement, par exemple soulever un poids de 102g de 1m verticalement produit un travail de 1Joule.
C'est le fait qu'on puisse tirer un travail mécanique à partir de 2 sources de chaleur ou d'une réaction chimique qui chauffe la source chaude. C'est ce qui se passe dans le moteur d'une voiture ! Le travail est alors une valeur algébrique en plus ou en moins.
La chaleur[modifier | modifier le wikicode]
La chaleur est la forme d'énergie dont on ne tire pas de travail avec une seule source de chaleur. Mais avec 2 sources on peut obtenir du travail dans un moteur thermique suivant le second principe.
: Cette énergie va changer la température du système. La chaleur est une valeur algébrique, en plus ou en moins.
La température[modifier | modifier le wikicode]
La température d'un système définit son état d'équilibre. Une réaction qui est spontanée à une température ne le sera pas forcément à une autre. Par exemple : de l'eau sous forme de glaçon, si on la place à 20 °C va redevenir liquide spontanément. Mais le même glaçon placé à -10 °C restera solide : sa liquéfaction ne sera pas spontanée.
L'activité[modifier | modifier le wikicode]
Une réaction chimique n'est spontanée que si l'activité des corps concernés est adaptée. Cette notion est en général remplacée par la concentration d'un soluté ou la pression d'un gaz. Par exemple : de l'eau sous forme liquide va avoir tendance à s'évaporer si elle est dans un environnement sec. Mais si l'air est saturé en humidité, l'eau liquide ne s'évaporera pas : la présence d'une forte pression de vapeur d'eau va ralentir ou empêcher la réaction d'évaporation.
Notes[modifier | modifier le wikicode]
- ↑ Donc du niveau de la fin du collège. Par contre, les démonstrations utilisent des dérivées partielles, qui elles ne sont abordées qu'au lycée.
|
|
