La thermodynamique correspond à une branche de la physique qui étudie le comportement thermique des corps, plus exactement les mouvements de chaleur. De façon plus générale, la thermodynamique s'intéresse à l'étude de l'énergie (en particulier l' énergie interne) et de ses transformations.
L'objectif de la thermodynamique est de voir s'il est possible de décrire les évolutions macroscopiques en raisonnant uniquement sur ces grandeurs macroscopiques et en s'affranchissant de la quantité phénoménale d'information de la description microscopique.
On évoque parfois deux autres principes : principe zéro de la thermodynamique : la température est une grandeur repérable ; quatrième principe de la thermodynamique, comme nom donné à la théorie d'Onsager : il existe une relation linéaire entre les courants volumiques et les forces thermodynamiques.
Sadi Carnot, pionnier de la thermodynamique.
Ici Δ U \Delta U ΔU est la variation de l'énergie interne U du système. Q est la quantité de chaleur totale échangée par le système—donc Q est la somme des quantités de chaleur reçues par le système moins la somme des quantités de chaleur fournies par le système à l'extérieur.
Travail pΔV. pΔV Le travail est égal à la surface sous la courbe de processus tracée sur le diagramme pression-volume. Le travail pression-volume (ou travail pΔV ) se produit lorsque le volume V d'un système change. Le travail pΔV est égal à l'aire sous la courbe de processus tracée sur le diagramme pression-volume.
Le premier principe de la thermodynamique exprime la conservation de l'énergie de l'ensemble {système + milieu extérieur} pour un système fermé limité par une surface au travers de laquelle peuvent s'effectuer des échanges énergétiques. Le premier principe exprime l'équivalence entre les diverses formes d'énergie.
Elle nous permet de comprendre et de prévoir les variations d'énergie entre différents systèmes en interaction grâce à des principes fondamentaux. Les applications de la thermodynamique sont nombreuses. On peut citer entre autres les machines thermiques (moteurs de voitures, réfrigérateurs, pompes à chaleur).
Sadi Carnot publie "Réflexions sur la puissance motrice du feu" dans lequel il propose une analyse scientifique de l'efficacité des moteurs à vapeur. Il est considéré comme le fondateur de la thermodynamique, science qui étudie les conversions d'énergie.
adiabatique
Se dit d'une transformation au cours de laquelle un système de corps n'échange pas de chaleur avec le milieu environnant ; relatif à une telle transformation. (Une transformation réversible et adiabatique s'effectue à entropie constante.)
Le troisième principe de la thermodynamique, appelé encore le théorème de Nernstthéorème de Nernst, du nom du Prix Nobel qui l'a découvert en 1906, s'énonce de la façon suivante : "L'entropie d'un système quelconque peut toujours être prise égale à zéro à la température du zéro absolu".
– Le travail W et le transfert de chaleur Q ne sont pas des fonctions d'état (leur valeur dépend du chemin suivi lors de la transformation), mais U est une fonction d'état.
Premier principe de la thermodynamique : loi de conservation de l'énergie. Au cours d'une transformation l' énergie n'est ni créée ni détruite : elle peut être convertie d'une forme en une autre ( travail, chaleur ) mais la quantité totale d'énergie reste invariable.
Système isolé : Un calorimétre " idéal "
Ce type de système sera souvent utilisé pour mesurer par exemple des chaleurs de réaction. La technique utilisant les propriétés des calorimétres s'appelle la calorimétrie. Elle fait l'objet d'un paragraphe complet dans le chapître "premier principe de la thermodynamique".
Modéliser l'évolution de la température d'un système incompressible. Lorsqu'un système incompressible de température initiale T0 est mis en contact avec un thermostat (dispositif dont la température reste constante), sa température évolue pour atteindre celle du thermostat dans l'état final.
Parmi eux, Rudolf Clausius. On doit à ce Prussien né en 1822 d'avoir identifié les deux principes fondamentaux qui régissent les échanges d'énergie _ il baptisa cette science nouvelle « thermodynamique » _, mais surtout d'avoir inventé « l'entropie », dont les variations mesurent la réversibilité de ces échanges.
L'enthalpie est couramment utilisée lors de l'étude des changements d'état mettant en jeu l'énergie d'un système dans de nombreux processus chimiques, biologiques et physiques.
L'énergie U se présente donc comme une fonction d'état, et le premier principe de la thermodynamique exprime dans sa généralité une propriété de conservation de cette énergie, car, pour un système isolé du monde extérieur, on a Q = 0 et W = 0, ce qui entraîne U1 = U2.
Le travail utile (Wu) se définit comme étant l'énergie reçue par l'objet à déplacer. Pour déterminer le travail utile, on doit multiplier la force résistante nécessaire pour déplacer l'objet par le déplacement que l'objet a fait.
Le cycle de Carnot est composé d'une compression isotherme, une compression adiabatique, une détente isotherme et une détente adiabatique. Le cycle de Stirling est composé d'une compression isochore, une expansion isotherme, une détente isochore et une compression isotherme.
Lors d'une transformation réversible, la pression extérieure est constamment égale à la pression intérieure , c'est-à-dire celle du système. Remarque : si le volume reste constant, le travail des forces de pression est nul.
Au cours d'une détente isotherme d'un gaz contre une résistance extérieure, le système doit recevoir de la chaleur pour maintenir une température constante. La transformation doit s'effectuer lentement pour permettre l'échange de chaleur. Elle est considérée comme réversible.
Expansion adiabatique – Compression adiabatique
Dans un gaz parfait , les molécules n'ont pas de volume et n'interagissent pas. Selon la loi des gaz parfaits , la pression varie linéairement avec la température et la quantité, et inversement avec le volume . où: p est la pression absolue du gaz.