La thermodynamique est une branche importante de la physique. Nous pouvons dire avec certitude que ses réalisations ont conduit à l'émergence de l'ère technologique et ont largement déterminé le cours de l'histoire humaine au cours des 300 dernières années. L'article traite des première, deuxième et troisième lois de la thermodynamique et de leur application pratique.
Qu'est-ce que la thermodynamique ?
Avant de formuler les lois de la thermodynamique, découvrons ce que fait cette partie de la physique.
Le mot "thermodynamique" est d'origine grecque et signifie "mouvement dû à la chaleur". Autrement dit, cette branche de la physique est engagée dans l'étude de tous les processus, à la suite desquels l'énergie thermique est convertie en mouvement mécanique et vice versa.
Les lois fondamentales de la thermodynamique ont été formulées au milieu du XIXe siècle. La science du "mouvement et de la chaleur" considère le comportement de l'ensemble du système dans son ensemble, étudiant l'évolution de ses paramètres macroscopiques - température, pression et volume, et ne prêtant pas attention à sa structure microscopique. De plus, le premier d'entre eux joue un rôle fondamental dans l'élaboration des loisthermodynamique en physique. Il est curieux de noter qu'ils sont issus uniquement d'observations expérimentales.
Le concept d'un système thermodynamique
Cela signifie tout groupe d'atomes, de molécules ou d'autres éléments considérés comme un tout. Les trois lois sont formulées pour le système dit thermodynamique. Exemples: l'atmosphère terrestre, tout organisme vivant, le mélange gazeux d'un moteur à combustion interne, etc.
Tous les systèmes en thermodynamique appartiennent à l'un des trois types suivants:
- Ouvrir. Ils échangent à la fois de la chaleur et de la matière avec l'environnement. Par exemple, si les aliments sont cuits dans une casserole sur un feu ouvert, il s'agit d'un exemple frappant de système ouvert, car la casserole reçoit de l'énergie de l'environnement extérieur (feu), alors qu'elle émet elle-même de l'énergie sous forme de chaleur, et l'eau s'en évapore également (métabolisme).
- Fermé. Dans de tels systèmes, il n'y a pas d'échange de matière avec l'environnement, bien que l'échange d'énergie se produise. Revenons au cas précédent: si vous couvrez la bouilloire avec un couvercle, vous pouvez obtenir un système fermé.
- Isolé. Il s'agit d'une sorte de systèmes thermodynamiques qui n'échangent ni matière ni énergie avec l'espace environnant. Un exemple serait un thermos contenant du thé chaud.
Température thermodynamique
Ce concept signifie l'énergie cinétique des particules qui forment les corps environnants, qui reflète la vitessemouvement aléatoire des particules. Plus il est grand, plus la température est élevée. Ainsi, en réduisant l'énergie cinétique du système, on le refroidit.
Ce concept signifie l'énergie cinétique des particules qui forment les corps environnants, qui reflète la vitesse du mouvement chaotique des particules. Plus il est grand, plus la température est élevée. Ainsi, en réduisant l'énergie cinétique du système, on le refroidit.
La température thermodynamique est exprimée en SI (Système international d'unités) en Kelvin (en l'honneur du scientifique britannique William Kelvin, qui a proposé cette échelle). Comprendre les première, deuxième et troisième lois de la thermodynamique est impossible sans une définition de la température.
Une division d'un degré sur l'échelle Kelvin correspond également à un degré Celsius. La conversion entre ces unités s'effectue selon la formule: TK =TC + 273, 15, où TK et TC - températures en kelvins et degrés Celsius respectivement.
La particularité de l'échelle Kelvin est qu'elle n'a pas de valeurs négatives. Zéro dedans (TC=-273, 15 oC) correspond à l'état où le mouvement thermique des particules du système est complètement absent, ils semblent "figés".
Conservation de l'énergie et la 1ère loi de la thermodynamique
En 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot, ingénieur et physicien français, a fait une suggestion audacieuse qui a non seulement conduit au développement de la physique, mais est également devenue une étape majeure dans l'amélioration de la technologie. Le sienpeut être formulé comme suit: "L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, elle ne peut être transférée que d'un état à un autre."
En fait, la phrase de Sadi Carnot postule la loi de conservation de l'énergie, qui a été à la base de la 1ère loi de la thermodynamique: "Chaque fois qu'un système reçoit de l'énergie de l'extérieur, il la convertit en d'autres formes, la principale de qui sont thermiques et mécaniques."
La formule mathématique de la 1ère loi s'écrit comme suit:
Q=ΔU + A, ici Q est la quantité de chaleur transférée par l'environnement au système, ΔU est la variation de l'énergie interne de ce système, A est le travail mécanique parfait.
Processus adiabatiques
Un bon exemple en est le mouvement des masses d'air le long des pentes des montagnes. De telles masses sont énormes (kilomètres ou plus) et l'air est un excellent isolant thermique. Les propriétés notées nous permettent de considérer tous les processus avec des masses d'air qui se produisent dans un court laps de temps comme adiabatiques. Lorsque l'air monte sur une pente de montagne, sa pression chute, il se dilate, c'est-à-dire qu'il effectue un travail mécanique et, par conséquent, il se refroidit. Au contraire, le mouvement vers le bas de la masse d'air s'accompagne d'une augmentation de la pression dans celle-ci, elle se comprime et, de ce fait, devient très chaude.
L'application de la loi de la thermodynamique, qui a été discutée dans le sous-titre précédent, est plus facilement démontrée en utilisant l'exemple d'un processus adiabatique.
Selon la définition, il n'y a donc pas d'échange d'énergie avecenvironnement, c'est-à-dire, dans l'équation ci-dessus, Q=0. Cela conduit à l'expression suivante: ΔU=-A. Le signe moins signifie ici que le système effectue un travail mécanique en réduisant sa propre énergie interne. Il convient de rappeler que l'énergie interne dépend directement de la température du système.
Direction des processus thermiques
Ce numéro traite de la 2ème loi de la thermodynamique. Tout le monde a sûrement remarqué que si vous mettez en contact deux objets de températures différentes, le froid chauffera toujours et le chaud refroidira. Notez que le processus inverse peut se produire dans le cadre de la première loi de la thermodynamique, mais il n'est jamais mis en œuvre en pratique.
La raison de l'irréversibilité de ce processus (et de tous les processus connus dans l'Univers) est la transition du système vers un état plus probable. Dans l'exemple considéré avec le contact de deux corps de températures différentes, l'état le plus probable sera celui dans lequel toutes les particules du système auront la même énergie cinétique.
La deuxième loi de la thermodynamique peut être formulée comme suit: "La chaleur ne peut jamais être transférée spontanément d'un corps froid à un corps chaud." Si nous introduisons le concept d'entropie comme mesure du désordre, alors il peut être représenté comme suit: "Tout processus thermodynamique procède avec une augmentation de l'entropie".
Moteur thermique
Ce terme est compris comme un système qui, en raison de l'apport d'énergie externe, peut effectuer un travail mécanique. Premièreles moteurs thermiques étaient des moteurs à vapeur et ont été inventés à la fin du 17ème siècle.
La deuxième loi de la thermodynamique joue un rôle décisif dans la détermination de leur efficacité. Sadi Carnot a également établi que l'efficacité maximale de cet appareil est de: Efficacité=(T2 - T1)/T2, ici T2 et T1 sont les températures de chauffage et de réfrigérateur. Le travail mécanique ne peut être effectué que lorsqu'il y a un flux de chaleur d'un corps chaud vers un corps froid, et ce flux ne peut pas être converti à 100% en énergie utile.
La figure ci-dessous montre le principe de fonctionnement d'un moteur thermique (Qabs - chaleur transmise à la machine, Qced - perte de chaleur, W - travail utile, P et V - pression et volume de gaz dans le piston).
Zéro absolu et postulat de Nernst
Enfin, passons à l'examen de la troisième loi de la thermodynamique. On l'appelle aussi le postulat de Nernst (du nom du physicien allemand qui l'a formulé le premier au début du XXe siècle). La loi dit: « Le zéro absolu ne peut être atteint avec un nombre fini de processus. Autrement dit, il est en aucun cas impossible de "geler" complètement les molécules et les atomes d'une substance. La raison en est l'échange de chaleur constant existant avec l'environnement.
Une conclusion utile tirée de la troisième loi de la thermodynamique est que l'entropie diminue à mesure que l'on se rapproche du zéro absolu. Cela signifie que le système a tendance à s'organiser. Ce fait peututiliser, par exemple, pour transférer des paramagnétiques à un état ferromagnétique lorsqu'ils sont refroidis.
Il est intéressant de noter que la température la plus basse atteinte jusqu'à présent est de 5·10−10 K (2003, laboratoire MIT, USA).
