La thermodynamique est un domaine de la physique qui étudie les transferts d'énergie. Il cherche à comprendre les relations entre la chaleur, l'énergie et le travail, en analysant les quantités de chaleur échangées et le travail effectué dans un processus physique.
La science thermodynamique a été initialement développée par des chercheurs qui cherchaient un moyen d'améliorer les machines, à l'époque de la révolution industrielle, en améliorant leur efficacité.
Ces connaissances sont actuellement appliquées dans diverses situations de notre vie quotidienne. Par exemple: les machines thermiques et les réfrigérateurs, les moteurs de voitures et les procédés de transformation des minéraux et des produits pétroliers.
Lois de la thermodynamique
Les lois fondamentales de la thermodynamique régissent la façon dont la chaleur devient travail et vice versa.
Première loi de la thermodynamique
LES Première loi de la thermodynamique se rapporte à la principe d'économie d'énergie. Cela signifie que l'énergie dans un système ne peut pas être détruite ou créée, seulement transformée.
La formule qui représente la première loi de la thermodynamique est la suivante :
La quantité de chaleur, le travail et la variation de l'énergie interne ont comme unité de mesure standard le Joule (J).
Un exemple pratique d'économie d'énergie est lorsqu'une personne utilise une pompe pour gonfler un objet gonflable, elle utilise la force pour pomper de l'air dans l'objet. Cela signifie que l'énergie cinétique fait descendre le piston. Cependant, une partie de cette énergie est transformée en chaleur, qui est perdue dans l'environnement.
LES La loi de Hess est un cas particulier du principe de conservation de l'énergie. Savoir plus!
Deuxième loi de la thermodynamique
À transferts de chaleur ils se produisent toujours du corps le plus chaud au corps le plus froid, cela se produit spontanément, mais pas l'inverse. C'est-à-dire que les processus de transfert d'énergie thermique sont irréversibles.
De cette façon, par le Deuxième loi de la thermodynamique, il n'est pas possible que la chaleur soit entièrement convertie en une autre forme d'énergie. Pour cette raison, la chaleur est considérée comme une forme d'énergie dégradée.
La grandeur physique liée à la deuxième loi de la thermodynamique est la entropie, qui correspond au degré de désordre d'un système.
A lire aussi :
- Cycle Carnot
- Dilatation thermique
Loi zéro de la thermodynamique
LES Loi zéro de la thermodynamique traite des conditions d'obtention du bilan thermique. Parmi ces conditions, on peut citer l'influence des matériaux qui rendent la conductivité thermique supérieure ou inférieure.
Selon cette loi,
- si un corps A est en équilibre thermique au contact d'un corps B et
- si ce corps A est en équilibre thermique au contact d'un corps C, alors
- B est en équilibre thermique au contact de C.
Lorsque deux corps avec des températures différentes sont mis en contact, celui qui est le plus chaud transférera de la chaleur à celui qui est le plus froid. Cela provoque l'égalisation des températures atteignant le bilan thermique.
On l'appelle la loi zéro car sa compréhension s'est avérée nécessaire pour les deux premières lois qui existaient déjà, les première et deuxième lois de la thermodynamique.
Troisième loi de la thermodynamique
LES Troisième loi de la thermodynamique il apparaît comme une tentative d'établir un point de référence absolu qui détermine l'entropie. L'entropie est en fait la base de la deuxième loi de la thermodynamique.
Walther Nernst, le physicien qui l'a proposé, a conclu qu'il n'était pas possible pour une substance pure avec une température de zéro d'avoir une entropie à une valeur approximative de zéro.
Pour cette raison, il s'agit d'une loi controversée, considérée par de nombreux physiciens comme une règle et non comme une loi.
systèmes thermodynamiques
Dans un système thermodynamique, il peut y avoir un ou plusieurs corps qui sont liés. L'environnement qui l'entoure et l'Univers représentent l'environnement extérieur au système. Le système peut être défini comme: ouvert, fermé ou isolé.
systèmes thermodynamiques
Lorsque le système est ouvert, il y a un transfert de masse et d'énergie entre le système et l'environnement extérieur. Dans le système fermé, il n'y a qu'un transfert d'énergie (chaleur), et lorsqu'il est isolé, il n'y a pas d'échange.
comportement des gaz
Le comportement microscopique des gaz est plus facilement décrit et interprété que dans d'autres états physiques (liquide et solide). C'est pourquoi les gaz sont les plus utilisés dans ces études.
Dans les études thermodynamiques, des gaz parfaits ou parfaits sont utilisés. C'est un modèle dans lequel les particules se déplacent de manière chaotique et n'interagissent que lors de collisions. De plus, on considère que ces collisions entre les particules, et entre elles et les parois du récipient, sont élastiques et durent très peu de temps.
Dans un système fermé, le gaz parfait présuppose un comportement qui fait intervenir les grandeurs physiques suivantes: pression, volume et température. Ces variables définissent l'état thermodynamique d'un gaz.
Comportement des gaz selon les lois des gaz
La pression (p) est produite par le mouvement des particules de gaz à l'intérieur du conteneur. L'espace occupé par le gaz à l'intérieur du conteneur est le volume (v). Et la température (t) est liée à l'énergie cinétique moyenne des particules de gaz en mouvement.
Lire aussi Loi sur le gaz et Étude des gaz.
énergie interne
L'énergie interne d'un système est une grandeur physique qui permet de mesurer comment se produisent les transformations subies par un gaz. Cette grandeur est liée à la variation de température et d'énergie cinétique des particules.
Un gaz parfait, composé d'un seul type d'atome, a une énergie interne directement proportionnelle à la température du gaz. Ceci est représenté par la formule suivante :
Exercices résolus sur la thermodynamique
question 1
Un cylindre avec un piston mobile contient un gaz à une pression de 4.0.104N/m2. Lorsque 6 kJ de chaleur sont fournis au système, à pression constante, le volume de gaz augmente de 1,0.10-1m3. Déterminez le travail effectué et le changement d'énergie interne dans cette situation.
Bonne réponse: le travail effectué est de 4000 J et la variation d'énergie interne est de 2000 J.
Données:
P = 4,0.104 N/m2
Q = 6KJ ou 6000J
V = 1,0.10-1 m3
T =? U = ?
1ère étape: calculez le travail avec les données du problème.
T = P. V
T = 4,0.104. 1,0.10-1
T = 4000 J
2ème étape: Calculez la variation de l'énergie interne avec les nouvelles données.
Q = T + U
U = Q - T
U = 6000 - 4000
U = 2000J
Par conséquent, le travail effectué est de 4000 J et le changement d'énergie interne est de 2000 J.
question 2
(Adapté de ENEM 2011) Un moteur ne peut fonctionner que s'il reçoit une quantité d'énergie d'un autre système. Dans ce cas, l'énergie stockée dans le combustible est en partie libérée lors de la combustion pour que l'appareil puisse fonctionner. Lorsque le moteur tourne, une partie de l'énergie convertie ou transformée en combustion ne peut pas être utilisée pour faire du travail. Cela signifie qu'il y a une fuite d'énergie sous une autre forme.
Selon le texte, les transformations énergétiques qui se produisent lors du fonctionnement du moteur sont dues à :
a) le dégagement de chaleur à l'intérieur du moteur est impossible.
b) le travail effectué par le moteur est incontrôlable.
c) la conversion complète de la chaleur en travail est impossible.
d) la transformation de l'énergie thermique en cinétique est impossible.
e) la consommation potentielle d'énergie du combustible est incontrôlable.
Alternative correcte: c) la conversion complète de la chaleur en travail est impossible.
Comme vu précédemment, la chaleur ne peut pas être entièrement convertie en travail. Pendant le fonctionnement du moteur, une partie de l'énergie thermique est perdue et transférée à l'environnement extérieur.
Voir aussi: Exercices sur la thermodynamique
