Lois de la thermodynamique

La lois de la thermodynamique sont quatre lois ou r√®gles qui expliquent comment l’√©nergie est produite, transf√©r√©e et peut √™tre exploit√©e par la chaleur et le travail. Ces r√®gles sont √† la base de la compr√©hension de nombreux ph√©nom√®nes physiques et chimiques qui se produisent dans la nature.

En thermodynamique, l’√©nergie peut √™tre transf√©r√©e d’un syst√®me √† un autre par le travail, le transfert de chaleur ou la masse. Par exemple, un four cuit (syst√®me) transf√®re la chaleur (√©nergie) √† une p√Ęte √† pain, la faisant pousser (travail).

La thermodynamique est la branche de la physique qui √©tudie les ph√©nom√®nes li√©s √† l’√©nergie, au travail et √† la chaleur. Le mot ¬ęthermodynamique¬Ľ d√©rive du grec therme qui signifie ¬ęchaleur¬Ľ et dynamis qui signifie ¬ępuissance¬Ľ.

Loi z√©ro de la thermodynamique ou de l’√©quilibre thermique

“Si deux syst√®mes, A et B, sont en √©quilibre thermique l’un avec l’autre, et le syst√®me A est en √©quilibre avec un troisi√®me syst√®me C, alors le syst√®me B est en √©quilibre thermique avec le syst√®me C.”

Ce que signifie cette loi, c’est que, par exemple, si un bloc jaune et un bloc bleu ont la m√™me temp√©rature et que le bloc jaune a la m√™me temp√©rature qu’un bloc rouge, alors le bloc bleu aura la m√™me temp√©rature que le bloc rouge.

Loi zéro de la thermodynamique montrant l'équilibre thermique entre trois systèmes de blocs

Pourquoi cela arrive-t-il? Cela se produit en raison d’une condition appel√©e √©quilibre thermique, selon lequel la temp√©rature d’un corps reste stable, c’est-√†-dire qu’elle ne change pas. Ensuite, lorsque deux corps ou syst√®mes ont la m√™me temp√©rature, ils sont en √©quilibre thermique.

Comment mesurer l’√©quilibre thermique? Avec un thermom√®tre: Lorsque nous utilisons le thermom√®tre pour mesurer la temp√©rature d’un syst√®me (le corps, une pi√®ce ou un pot d’eau), nous attendons que la temp√©rature ne change pas; √† ce moment, le thermom√®tre est en √©quilibre thermique avec le syst√®me et le thermom√®tre mesure en fait sa propre temp√©rature.

Bien que cette loi ait √©t√© postul√©e apr√®s les premi√®re et deuxi√®me lois (1935), elle est appel√©e “z√©ro” car c’est une loi fondamentale en thermodynamique.

Exemples de la loi zéro de la thermodynamique

  • Avec une glaci√®re: Quand on met un bloc r√©frig√©rant, une bouteille de jus d’orange et une bouteille de th√© glac√© dans une glaci√®re, apr√®s un certain temps tout aura la m√™me temp√©rature.
  • Avec un four: un plateau avec 10 bocaux en verre est plac√© dans un four √† 120 ¬į C pour les st√©riliser; apr√®s un certain temps, tous les pots et le plateau auront 120 ¬į C.
  • Avec un verre au frigo: lorsque nous laissons un verre d’eau au r√©frig√©rateur pendant un certain temps, la temp√©rature de l’eau ne change pas. Si un pot de mayonnaise se trouve √† l’int√©rieur du r√©frig√©rateur, alors le verre d’eau et le pot de mayonnaise ont la m√™me temp√©rature, ils sont en √©quilibre thermique.

Premi√®re loi de la thermodynamique: loi de conservation de l’√©nergie

“L’√©nergie n’est ni cr√©√©e ni d√©truite. Le changement d’√©nergie interne d’un syst√®me est √©gal au transfert de chaleur de ou vers l’environnement et au travail effectu√© par ou sur le syst√®me.”

Ce que signifie la premi√®re loi ou principe de la thermodynamique, c’est que lorsqu’un syst√®me a une augmentation d’√©nergie, ce n’est pas parce qu’il l’a cr√©√©, ou s’il a une diminution d’√©nergie, ce n’est pas parce qu’il a √©t√© d√©truit.

Comment cela peut-il être expliqué? Par exemple, un bloc de beurre initialement froid et compact, après avoir été battu et avec la chaleur générée par le travail, aura une énergie interne plus élevée que lorsque le beurre était bloc et froid.

Pourquoi cela se produit-il? En raison du transfert d’√©nergie du travail de le battre et de la chaleur g√©n√©r√©e. Le beurre fouett√© ne cr√©ait donc pas d’√©nergie, mais devait recevoir l’√©nergie de l’environnement. Cela signifie que la diff√©rence entre l’√©nergie finale et l’√©nergie initiale du beurre est √©gale √† la somme du travail et de la chaleur que le beurre a re√ßu.

De cette mani√®re, la premi√®re loi de la thermodynamique relie la chaleur, le travail et l’√©nergie:

  • Dans un syst√®me qui re√ßoit de la chaleur et travaille, son √©nergie interne augmente.
  • Dans un syst√®me qui transf√®re de la chaleur et / ou du travail, son √©nergie interne diminue.
  • En un syst√®me isol√©, l√† o√Ļ il n’y a pas d’√©change d’√©nergie ou de mati√®re, le changement d’√©nergie interne est √©gal √† z√©ro.

Comment calculer la quantit√© d’√©nergie qu’un syst√®me gagne ou perd? Pour cela, nous utilisons la premi√®re formule de loi de la thermodynamique.

Formule de la première loi de la thermodynamique

Le changement ou la variation de l’√©nergie interne d’un syst√®me peut √™tre calcul√© par la quantit√© de chaleur et / ou de travail que le syst√®me transf√®re ou re√ßoit:

style taille 16px gras incrémenté gras U gras égal à gras Q gras plus gras style W fin

Dans cette expression:

  • őĒ U est le changement d’√©nergie interne, c’est-√†-dire la quantit√© d’√©nergie interne dans un √©tat final moins l’√©tat initial,
  • Q est la quantit√© de chaleur et
  • W est la quantit√© de travail.

Cette loi a été formulée par Rudolf Clausius (1822-1888) en 1850.

Exemples de la première loi de la thermodynamique

  • Avec pop-corn: Lorsque nous faisons du pop-corn au micro-ondes, une enveloppe entre avec les graines de ma√Įs qui gagnent de l’√©nergie par transfert de chaleur. Au fur et √† mesure que le pop-corn gonfle, ils font un travail pour gonfler le sac.
  • Au beurre fondu: Lorsque l’on bat un b√Ęton de beurre froid dans un bol, son √©nergie interne augmente en raison du transfert de chaleur de l’environnement et du travail de battage.
  • Avec une bouteille de soda: Lorsqu’une bouteille de soda est chauff√©e, le m√©lange gaz-liquide peut casser la bouteille en raison de travaux d’expansion.

Voir aussi Loi sur la conservation de l’√©nergie

Deuxième loi de la thermodynamique: direction des processus thermodynamiques

“Dans les processus spontan√©s, l’√©nergie utile diminue toujours. Le rendement d’une machine est toujours inf√©rieur √† 100%”.

La deuxi√®me loi de la thermodynamique explique pourquoi la chaleur passe des corps chauds aux corps froids et non l’inverse. Une tasse de caf√© chaud se refroidit car elle transf√®re son √©nergie sous forme de chaleur √† l’environnement, qui est √† une temp√©rature plus basse.

Deuxième loi de la thermodynamique, une tasse de café chaud transfère la chaleur à l'environnement jusqu'à ce qu'elle atteigne la température ambiante

Spontan√©ment dans la nature, l’√©nergie circule ou est transf√©r√©e de l’√©tat d’√©nergie le plus √©lev√© √† l’√©tat d’√©nergie le plus bas. Un litre d’essence dans un v√©hicule a plus d’√©nergie que celui qui se transforme en mouvement m√©canique. Le reste de l’√©nergie est dissip√© sous forme d’√©l√©vation de temp√©rature, de d√©gagement de gaz, de frottement des pneus contre la chauss√©e, entre autres.

En fait, la deuxi√®me loi met le les limites sur les fa√ßons dont l’√©nergie peut √™tre transform√©e et utilis√©e. Les performances des machines ne pourront jamais √™tre √† 100%, car des formes d’√©nergie sont toujours pr√©sentes dont nous ne pourrons pas profiter, comme le frottement de pi√®ces ou le d√©gagement de chaleur.

Les bases de la deuxième loi de la thermodynamique ont été établies par Nicolas Carnot (1796-1832).

Qu’est-ce que l’entropie et qu’est-ce que cela a √† voir avec la deuxi√®me loi?

La deuxi√®me loi indique la direction dans laquelle se d√©roule un processus thermodynamique. C’est l√† qu’intervient un concept cl√©, celui de entropie: une mesure de la quantit√© de ¬ęd√©sordre¬Ľ qu’un syst√®me pr√©sente.

L’entropie est le moyen d’exprimer √† quel point un processus thermodynamique est r√©versible ou irr√©versible. Selon la deuxi√®me loi de la thermodynamique, les processus o√Ļ il y a une augmentation de l’entropie sont favoris√©s dans la nature.

Exemples de la deuxième loi de la thermodynamique

  • Avec une bouteille: si on place une bouteille froide dans un r√©cipient avec de l’eau √† 80 ¬į C, la chaleur est transf√©r√©e de l’eau chaude √† la bouteille froide.
  • Avec soupe chaude: le bol √† soupe chaud est refroidi par transfert de chaleur vers l’environnement.
  • Avec un gla√ßon: un cube de glace √† 0 ¬į C dans un verre d’eau fond √† l’eau √† 0 ¬į C.
  • Avec de l’encre: une goutte d’encre se r√©pandra toujours dans un verre d’eau.
  • Au beurre fondu– Un beurre fondu ne se solidifiera jamais, sauf s’il est plac√© au r√©frig√©rateur.

Troisième loi de la thermodynamique: le zéro absolu

“Un syst√®me qui atteint le z√©ro absolu, tous les processus cessent et l’entropie approche la valeur minimale.”

troisi√®me loi de la thermodynamique La n√©buleuse de Boomerang enregistre la r√©gion la plus froide de l'UniversDans la n√©buleuse de Boomerang, la r√©gion la plus froide de l’Univers est enregistr√©e √† 1 degr√© au-dessus du z√©ro absolu (1 K).

La troisi√®me loi de la thermodynamique √©tablit quelle est la limite la plus basse o√Ļ il peut y avoir un processus, c’est-√†-dire o√Ļ le transfert d’√©nergie de tout type est nul et donc, son niveau de d√©sordre ou d’entropie est minimal. Cette limite est connue sous le nom de z√©ro absolu.

Quel est le Z√©ro absolu? C’est cette temp√©rature en dessous de laquelle il n’y a plus de mesure inf√©rieure, c’est-√†-dire la plus froide qu’une personne puisse imaginer. En 1848, William Thompson Lord Kelvin a d√©crit une valeur pour le z√©ro absolu de -273,15 ¬į C. Par cons√©quent, le z√©ro absolu est 0 K.

Le physicien et chimiste allemand Walther Nernst (1864-1941) a proposé cette loi en 1912.

Exemple de la troisième loi de la thermodynamique

  • N√©buleuse du boomerang: jusqu’√† pr√©sent, seule la n√©buleuse du Boomerang a √©t√© d√©termin√©e dans l’Univers comme √©tant la r√©gion la plus froide, avec des temp√©ratures de seulement 1 kelvin (1K = -272,15 ¬į C).

Voir aussi √Čnergie.

Les références

Rooney, A. (2013). L’histoire de la physique. Groupe √©ditorial Tomo. Mexique.

Sears, F., Zemansky, M., Young, H, D., Freedman, RA (2009) University Physics volume 1, 12e édition. Pearson Education, Mexique.

Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C. (2015) Novo 10F Physique et chimie A 10 ans. Texte des éditeurs. Lisbonne.

 

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