La thermodynamique est la branche de la physique qui traite des relations entre la chaleur et d’autres formes d’énergie. En particulier, il décrit comment l’énergie thermique est convertie en et à partir d’autres formes d’énergie et comment elle affecte la matière.
L’énergie thermique est l’énergie qu’une substance ou un système a en raison de sa température, c’est-à-dire l’énergie des molécules en mouvement ou en vibration, selon le site Web de l’Energy Education Agency du Texas Education. La thermodynamique implique de mesurer cette énergie, ce qui peut être « extrêmement compliqué », selon David McKee, professeur de physique à la Missouri Southern State University. « Les systèmes que nous étudions en thermodynamique consist sont constitués d’un très grand nombre d’atomes ou de molécules interagissant de manière compliquée. Mais, si ces systèmes répondent aux bons critères, que nous appelons l’équilibre, ils peuvent être décrits avec un très petit nombre de mesures ou de nombres. Souvent, cela est idéalisé comme la masse du système, la pression du système et le volume du système, ou un autre ensemble équivalent de nombres. Trois nombres décrivent 1026 ou 1030 variables indépendantes nominales. »
Chaleur
La thermodynamique s’intéresse alors à plusieurs propriétés de la matière ; au premier rang desquelles la chaleur. La chaleur est de l’énergie transférée entre des substances ou des systèmes en raison d’une différence de température entre eux, selon l’éducation énergétique. En tant que forme d’énergie, la chaleur est conservée, c’est-à-dire qu’elle ne peut pas être créée ou détruite. Il peut cependant être transféré d’un endroit à un autre. La chaleur peut également être convertie en et à partir d’autres formes d’énergie. Par exemple, une turbine à vapeur peut convertir la chaleur en énergie cinétique pour faire fonctionner un générateur qui convertit l’énergie cinétique en énergie électrique. Une ampoule peut convertir cette énergie électrique en rayonnement électromagnétique (lumière) qui, lorsqu’il est absorbé par une surface, est reconverti en chaleur.
Température
La quantité de chaleur transférée par une substance dépend de la vitesse et du nombre d’atomes ou de molécules en mouvement, selon l’éducation énergétique. Plus les atomes ou les molécules se déplacent rapidement, plus la température est élevée et plus il y a d’atomes ou de molécules en mouvement, plus la quantité de chaleur qu’ils transfèrent est grande.
La température est « une mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules dans un échantillon de matière, exprimée en unités ou degrés désignés sur une échelle standard », selon l’American Heritage Dictionary. L’échelle de température la plus couramment utilisée est Celsius, qui est basée sur les points de congélation et d’ébullition de l’eau, en attribuant des valeurs respectives de 0 degré C et 100 degrés C. L’échelle Fahrenheit est également basée sur les points de congélation et d’ébullition de l’eau qui ont des valeurs assignées de 32 F et 212 F, respectivement.
Les scientifiques du monde entier utilisent cependant l’échelle Kelvin (K sans signe de degré), nommée d’après William Thomson, 1er baron Kelvin, car elle fonctionne dans les calculs. Cette échelle utilise le même incrément que l’échelle Celsius, c’est-à-dire qu’un changement de température de 1 C est égal à 1 K. Cependant, l’échelle Kelvin commence à zéro absolu, la température à laquelle il y a une absence totale d’énergie thermique et tous les mouvements moléculaires s’arrêtent. Une température de 0 K est égale à moins 459,67 F ou moins 273,15 C.
Chaleur spécifique
La quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d’une certaine masse d’une substance d’une certaine quantité est appelée chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, selon les recherches de Wolfram. L’unité conventionnelle pour cela est les calories par gramme par kelvin. La calorie est définie comme la quantité d’énergie thermique nécessaire pour augmenter la température de 1 gramme d’eau à 4 C de 1 degré.
La chaleur spécifique d’un métal dépend presque entièrement du nombre d’atomes dans l’échantillon, pas de sa masse. Par exemple, un kilogramme d’aluminium peut absorber environ sept fois plus de chaleur qu’un kilogramme de plomb. Cependant, les atomes de plomb ne peuvent absorber qu’environ 8% de chaleur en plus qu’un nombre égal d’atomes d’aluminium. Cependant, une masse d’eau donnée peut absorber près de cinq fois plus de chaleur qu’une masse égale d’aluminium. La chaleur spécifique d’un gaz est plus complexe et dépend si elle est mesurée à pression constante ou à volume constant.
Conductivité thermique
La conductivité thermique (k) est « la vitesse à laquelle la chaleur traverse un matériau spécifié, exprimée en quantité de chaleur qui s’écoule par unité de temps à travers une unité de surface avec un gradient de température d’un degré par unité de distance », selon l’Oxford Dictionary. L’unité pour k est watts (W) par mètre (m) par kelvin (K). Les valeurs de k pour des métaux tels que le cuivre et l’argent sont relativement élevées à 401 et 428 W/m · K, respectivement. Cette propriété rend ces matériaux utiles pour les radiateurs automobiles et les ailettes de refroidissement pour les puces informatiques car ils peuvent emporter rapidement la chaleur et l’échanger avec l’environnement. La valeur la plus élevée de k pour toute substance naturelle est le diamant à 2 200 W / m · K.
D’autres matériaux sont utiles car ils sont extrêmement pauvres conducteurs de chaleur; cette propriété est appelée résistance thermique, ou valeur R, qui décrit la vitesse à laquelle la chaleur est transmise à travers le matériau. Ces matériaux, tels que la laine de roche, le duvet d’oie et la mousse de polystyrène, sont utilisés pour l’isolation des murs extérieurs des bâtiments, des manteaux d’hiver et des tasses à café thermiques. La valeur R est donnée en unités de pieds carrés fois degrés Fahrenheit fois heures par unité thermique britannique (ft2 · ° F · h / Btu) pour une dalle de 1 pouce d’épaisseur.
Loi du Refroidissement de Newton
En 1701, Sir Isaac Newton a énoncé pour la première fois sa Loi du Refroidissement dans un court article intitulé « Scala graduum Caloris » (« Une échelle des degrés de Chaleur ») dans les Transactions Philosophiques de la Royal Society. L’énoncé de la loi de Newton se traduit du latin original par « l’excès des degrés de la chaleur… étaient en progression géométrique quand les temps sont en progression arithmétique. »L’Institut polytechnique de Worcester donne une version plus moderne de la loi car « le taux de changement de température est proportionnel à la différence entre la température de l’objet et celle de l’environnement environnant. »
Cela entraîne une décroissance exponentielle de la différence de température. Par exemple, si un objet chaud est placé dans un bain froid, dans un certain laps de temps, la différence de température diminuera de moitié. Ensuite, pendant cette même période, la différence restante diminuera à nouveau de moitié. Cette réduction de moitié répétée de la différence de température se poursuivra à intervalles de temps égaux jusqu’à ce qu’elle devienne trop petite pour être mesurée.
Transfert de chaleur
La chaleur peut être transférée d’un corps à un autre ou entre un corps et l’environnement par trois moyens différents: conduction, convection et rayonnement. La conduction est le transfert d’énergie à travers un matériau solide. La conduction entre les corps se produit lorsqu’ils sont en contact direct et que les molécules transfèrent leur énergie à travers l’interface.
La convection est le transfert de chaleur vers ou depuis un milieu fluide. Les molécules d’un gaz ou d’un liquide en contact avec un corps solide transmettent ou absorbent la chaleur vers ou depuis ce corps, puis s’éloignent, permettant à d’autres molécules de se mettre en place et de répéter le processus. L’efficacité peut être améliorée en augmentant la surface à chauffer ou à refroidir, comme avec un radiateur, et en forçant le fluide à se déplacer sur la surface, comme avec un ventilateur.
Le rayonnement est l’émission d’énergie électromagnétique (EM), en particulier de photons infrarouges qui transportent l’énergie thermique. Toute la matière émet et absorbe un rayonnement EM, dont la quantité nette détermine si cela provoque une perte ou un gain de chaleur.
Le cycle de Carnot
En 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot propose un modèle de moteur thermique basé sur ce qui est devenu le cycle de Carnot. Le cycle exploite les relations entre la pression, le volume et la température des gaz et la façon dont un apport d’énergie peut changer de forme et fonctionner en dehors du système.
La compression d’un gaz augmente sa température de sorte qu’il devient plus chaud que son environnement. La chaleur peut ensuite être évacuée du gaz chaud à l’aide d’un échangeur de chaleur. Ensuite, en lui permettant de se dilater, il se refroidit. C’est le principe de base des pompes à chaleur utilisées pour le chauffage, la climatisation et la réfrigération.
Inversement, le chauffage d’un gaz augmente sa pression, ce qui le fait se dilater. La pression expansive peut ensuite être utilisée pour entraîner un piston, convertissant ainsi l’énergie thermique en énergie cinétique. C’est le principe de base des moteurs thermiques.
Entropie
Tous les systèmes thermodynamiques génèrent de la chaleur résiduelle. Ce gaspillage entraîne une augmentation de l’entropie, qui pour un système fermé est « une mesure quantitative de la quantité d’énergie thermique non disponible pour effectuer des travaux », selon l’American Heritage Dictionary. L’entropie dans tout système fermé augmente toujours; elle ne diminue jamais. De plus, les pièces mobiles produisent de la chaleur résiduelle due au frottement et la chaleur radiative s’échappe inévitablement du système.
Cela rend les machines dites à mouvement perpétuel impossibles. Siabal Mitra, professeur de physique à l’Université d’État du Missouri, explique: « Vous ne pouvez pas construire un moteur efficace à 100%, ce qui signifie que vous ne pouvez pas construire une machine à mouvement perpétuel. Cependant, il y a beaucoup de gens qui n’y croient toujours pas, et il y a des gens qui essaient toujours de construire des machines à mouvement perpétuel. »
L’entropie est également définie comme « une mesure du désordre ou du caractère aléatoire dans un système fermé », qui augmente également inexorablement. Vous pouvez mélanger de l’eau chaude et de l’eau froide, mais comme une grande tasse d’eau chaude est plus désordonnée que deux tasses plus petites contenant de l’eau chaude et froide, vous ne pouvez jamais la séparer en eau chaude et froide sans ajouter d’énergie au système. Autrement dit, vous ne pouvez pas déchiffrer un œuf ou retirer la crème de votre café. Alors que certains processus semblent être complètement réversibles, en pratique, aucun ne l’est réellement. L’entropie nous fournit donc une flèche du temps: l’avant est la direction de l’entropie croissante.
Les quatre lois de la thermodynamique
Les principes fondamentaux de la thermodynamique étaient initialement exprimés en trois lois. Plus tard, il a été déterminé qu’une loi plus fondamentale avait été négligée, apparemment parce qu’elle avait semblé si évidente qu’elle n’avait pas besoin d’être énoncée explicitement. Pour former un ensemble complet de règles, les scientifiques ont décidé que cette loi la plus fondamentale devait être incluse. Le problème, cependant, était que les trois premières lois avaient déjà été établies et étaient bien connues par leurs numéros attribués. Face à la perspective de renuméroter les lois existantes, ce qui causerait une confusion considérable, ou de placer la loi prééminente à la fin de la liste, ce qui n’aurait aucun sens logique, un physicien britannique, Ralph H. Fowler, a proposé une alternative qui résolvait le dilemme: il a appelé la nouvelle loi la « Loi zéro ». »En bref, ces lois sont:
La loi zéro stipule que si deux corps sont en équilibre thermique avec un troisième corps, alors ils sont également en équilibre l’un avec l’autre. Cela établit la température comme une propriété fondamentale et mesurable de la matière.
La Première Loi stipule que l’augmentation totale de l’énergie d’un système est égale à l’augmentation de l’énergie thermique plus le travail effectué sur le système. Cela stipule que la chaleur est une forme d’énergie et est donc soumise au principe de conservation.
La Deuxième Loi stipule que l’énergie thermique ne peut pas être transférée d’un corps à une température plus basse à un corps à une température plus élevée sans ajout d’énergie. C’est pourquoi il en coûte de l’argent pour faire fonctionner un climatiseur.
La Troisième Loi stipule que l’entropie d’un cristal pur au zéro absolu est nulle. Comme expliqué ci-dessus, l’entropie est parfois appelée « énergie résiduelle », c’est-à-dire une énergie incapable de travailler, et comme il n’y a aucune énergie thermique au zéro absolu, il ne peut y avoir aucune énergie résiduelle. L’entropie est également une mesure du désordre dans un système, et alors qu’un cristal parfait est par définition parfaitement ordonné, toute valeur positive de la température signifie qu’il y a un mouvement dans le cristal, ce qui provoque un désordre. Pour ces raisons, il ne peut y avoir de système physique avec une entropie plus faible, donc l’entropie a toujours une valeur positive.
La science de la thermodynamique a été développée au fil des siècles, et ses principes s’appliquent à presque tous les appareils jamais inventés. Son importance dans la technologie moderne ne peut être surestimée.
Ressources supplémentaires
- Certains des plus grands esprits de l’histoire des sciences ont contribué au développement de la thermodynamique. Une liste des pionniers notables dans le domaine se trouve sur le site Web de l’Université de Waterloo.
- L’éducation à l’énergie est un supplément de programme interactif pour les étudiants en sciences du secondaire.
- Le Monde des sciences d’Eric Weisstein contient des encyclopédies d’astronomie, de biographie scientifique, de chimie et de physique.
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