L'étude de la relation entre l'énergie et l'entropie est ce que la thermodynamique technique étudie. Elle englobe tout un ensemble de théories qui relient les propriétés macroscopiques mesurables (température, pression et volume) à l'énergie et à sa capacité à effectuer un travail.
Présentation
Les concepts de chaleur et de température sont les plus fondamentaux de la thermodynamique technique. On peut l'appeler la science de tous les phénomènes qui dépendent de la température et de ses changements. En physique statistique, dont elle fait désormais partie, elle fait partie des grandes théories sur lesquelles repose la compréhension actuelle de la matière. Un système thermodynamique est défini comme une quantité de matière de masse et d'identité fixes. Tout ce qui lui est extérieur est l'environnement dont il est séparé par des frontières. Les applications de la thermodynamique technique incluent des constructions telles que:
- climatiseurs et réfrigérateurs;
- turbocompresseurs et compresseurs de suralimentation dans les moteurs automobiles;
- turbines à vapeur dans les centrales électriques;
- réactifmoteurs d'avions.
Chaleur et température
Chaque personne a une connaissance intuitive du concept de température. Le corps est chaud ou froid, selon que sa température est plus ou moins élevée. Mais la définition exacte est plus difficile. En thermodynamique technique classique, la température absolue d'un corps était définie. Cela a conduit à la création de l'échelle Kelvin. La température minimale pour tous les corps est de zéro Kelvin (-273, 15°C). C'est le zéro absolu, dont le concept est apparu pour la première fois en 1702 grâce au physicien français Guillaume Amonton.
La chaleur est plus difficile à définir. La thermodynamique technique l'interprète comme un transfert aléatoire d'énergie du système vers le milieu extérieur. Elle correspond à l'énergie cinétique des molécules en mouvement et soumises à des chocs aléatoires (mouvement brownien). L'énergie transmise est dite désordonnée au niveau microscopique, par opposition à ordonnée, réalisée par un travail au niveau macroscopique.
État de la matière
Un état de la matière est une description du type de structure physique qu'une substance présente. Il a des propriétés qui décrivent comment un matériau maintient sa structure. Il y a cinq états de la matière:
- gaz;
- liquide;
- corps solide;
- plasma;
- superfluide (le plus rare).
De nombreuses substances peuvent se déplacer entre les phases gazeuse, liquide et solide. Le plasma est un état particulier de la matièrecomme un éclair.
Capacité calorifique
La capacité calorifique (C) est le rapport entre le changement de chaleur (ΔQ, où le caractère grec Delta représente la quantité) et le changement de température (ΔT):
C=ΔQ / ΔT.
Elle montre la facilité avec laquelle la substance est chauffée. Un bon conducteur thermique a une faible capacité nominale. Isolant thermique puissant avec une capacité thermique élevée.
Terminologie
Chaque science a son propre vocabulaire unique. Les concepts de base de la thermodynamique technique comprennent:
- Le transfert de chaleur est l'échange mutuel de températures entre deux substances.
- Approche microscopique - l'étude du comportement de chaque atome et molécule (mécanique quantique).
- Approche macroscopique - observation du comportement général de nombreuses particules.
- Le système thermodynamique est la quantité de substance ou de surface dans l'espace choisie pour la recherche.
- Environnement - tous les systèmes externes.
- Conduction - la chaleur est transférée à travers un corps solide chauffé.
- Convection - les particules chauffées renvoient de la chaleur à une autre substance.
- Radiation - la chaleur est transmise par des ondes électromagnétiques, comme celles du soleil.
- Entropie - en thermodynamique est une grandeur physique utilisée pour caractériser un processus isotherme.
En savoir plus sur la science
L'interprétation de la thermodynamique en tant que discipline distincte de la physique n'est pas tout à fait correcte. Cela affecte presque toutdomaines. Sans la capacité du système à utiliser l'énergie interne pour effectuer un travail, les physiciens n'auraient rien à étudier. Il existe également des domaines très utiles de la thermodynamique:
- Génie thermique. Il étudie deux possibilités de transfert d'énergie: le travail et la chaleur. Associé à l'évaluation du transfert d'énergie dans la substance active de la machine.
- Cryophysique (cryogénie) - la science des basses températures. Explore les propriétés physiques des substances dans des conditions vécues même dans la région la plus froide de la Terre. Un exemple en est l'étude des superfluides.
- L'hydrodynamique est l'étude des propriétés physiques des liquides.
- Physique des hautes pressions. Explore les propriétés physiques des substances dans des systèmes à très haute pression liés à la dynamique des fluides.
- La météorologie est l'étude scientifique de l'atmosphère qui se concentre sur les processus et les prévisions météorologiques.
- Plasma Physics - l'étude de la matière à l'état de plasma.
Loi Zéro
Le sujet et la méthode de la thermodynamique technique sont des observations expérimentales écrites sous forme de lois. La loi zéro de la thermodynamique stipule que lorsque deux corps ont la même température avec un troisième, ils ont à leur tour la même température entre eux. Par exemple: un bloc de cuivre est mis en contact avec un thermomètre jusqu'à ce que la température soit égale. Ensuite, il est supprimé. Le deuxième bloc de cuivre est mis en contact avec le même thermomètre. S'il n'y a pas de changement dans le niveau de mercure, alors nous pouvons dire que les deux blocs sont enéquilibre thermique avec un thermomètre.
Première loi
Cette loi stipule que lorsque le système subit un changement d'état, l'énergie peut traverser la frontière sous forme de chaleur ou de travail. Chacun d'eux peut être positif ou négatif. Le changement d'énergie net d'un système est toujours égal à l'énergie nette qui traverse la frontière du système. Ce dernier peut être interne, cinétique ou potentiel.
Deuxième loi
Il est utilisé pour déterminer la direction dans laquelle un processus thermique particulier peut avoir lieu. Cette loi de la thermodynamique stipule qu'il est impossible de créer un appareil fonctionnant en cycle et ne produisant aucun effet autre que le transfert de chaleur d'un corps à température plus basse vers un corps plus chaud. On l'appelle parfois la loi de l'entropie car elle introduit cette propriété importante. L'entropie peut être considérée comme une mesure de la proximité d'un système par rapport à l'équilibre ou au désordre.
Procédé thermique
Le système subit un processus thermodynamique lorsqu'il se produit une sorte de changement d'énergie, généralement associé à la transformation de la pression, du volume et de la température. Il existe plusieurs types spécifiques avec des propriétés spéciales:
- adiabatique - pas d'échange de chaleur dans le système;
- isochorique - pas de changement de volume;
- isobare - pas de changement de pression;
- isotherme - pas de changement de température.
Réversibilité
Un processus réversible est un processus qui, après avoir eu lieu, peut êtreannulé. Il ne laisse aucun changement ni dans le système ni dans l'environnement. Pour être réversible, le système doit être en équilibre. Certains facteurs rendent le processus irréversible. Par exemple, la friction et l'expansion galopante.
Demande
De nombreux aspects de la vie de l'humanité moderne reposent sur les fondements de l'ingénierie thermique. Ceux-ci incluent:
- Tous les véhicules (voitures, motos, charrettes, bateaux, avions, etc.) fonctionnent sur la base de la deuxième loi de la thermodynamique et du cycle de Carnot. Ils peuvent utiliser un moteur à essence ou diesel, mais la loi reste la même.
- Les compresseurs d'air et de gaz, les soufflantes, les ventilateurs fonctionnent sur différents cycles thermodynamiques.
- L'échange de chaleur est utilisé dans les évaporateurs, les condenseurs, les radiateurs, les refroidisseurs, les appareils de chauffage.
- Les réfrigérateurs, les congélateurs, les systèmes de réfrigération industriels, tous les types de systèmes de climatisation et les pompes à chaleur fonctionnent en raison de la deuxième loi.
La thermodynamique technique comprend également l'étude de différents types de centrales électriques: thermiques, nucléaires, hydroélectriques, basées sur des sources d'énergie renouvelables (comme le solaire, l'éolien, la géothermie), les marées, les vagues et autres.
