Qu'est-ce qu'un processus isotherme en physique?

La science de la physique étudie les objets et les systèmes pour mesurer leurs mouvements, températures et autres caractéristiques physiques. Il peut être appliqué à tout, des organismes unicellulaires aux systèmes mécaniques en passant par les planètes, les étoiles et les galaxies et les processus qui les régissent. En physique, la thermodynamique est une branche qui se concentre sur les changements d'énergie (chaleur) dans les propriétés d'un système lors de toute réaction physique ou chimique. 

Le "processus isotherme", qui est un processus thermodynamique dans lequel la température d'un système reste constante. Le transfert de chaleur dans ou hors du système se produit si lentement que l'équilibre thermique est maintenu. "Thermique" est un terme qui décrit la chaleur d'un système. "Iso" signifie "égal", donc "isotherme" signifie "chaleur égale", ce qui définit l'équilibre thermique.

Le processus isotherme

En général, pendant un processus isotherme, il y a un changement d'énergie interne, d'énergie thermique et de travail, même si la température reste la même. Quelque chose dans le système fonctionne pour maintenir cette température égale. Un exemple idéal simple est le cycle de Carnot, qui décrit essentiellement le fonctionnement d'un moteur thermique en fournissant de la chaleur à un gaz. En conséquence, le gaz se dilate dans un cylindre, et cela pousse un piston pour faire un peu de travail. La chaleur ou le gaz doivent ensuite être expulsés du cylindre (ou vidés) afin que le prochain cycle de chaleur / détente puisse avoir lieu. C'est ce qui se passe à l'intérieur d'un moteur de voiture, par exemple. Si ce cycle est complètement efficace, le processus est isotherme car la température est maintenue constante pendant que la pression change. 

Pour comprendre les bases du processus isotherme, considérons l'action des gaz dans un système. L'énergie interne d'un gaz idéal dépend uniquement de la température, donc le changement d'énergie interne pendant un processus isotherme pour un gaz idéal est également de 0. Dans un tel système, toute la chaleur ajoutée à un système (de gaz) effectue un travail pour maintenir le processus isotherme, tant que la pression reste constante. Essentiellement, lorsque l'on considère un gaz idéal, le travail effectué sur le système pour maintenir la température signifie que le volume du gaz doit diminuer à mesure que la pression sur le système augmente. 

Processus isothermes et états de la matière

Les processus isothermes sont nombreux et variés. L'évaporation de l'eau dans l'air en est un, de même que l'ébullition de l'eau à un point d'ébullition spécifique. Il existe également de nombreuses réactions chimiques qui maintiennent l'équilibre thermique, et en biologie, les interactions d'une cellule avec ses cellules environnantes (ou autre matière) seraient un processus isotherme.  

L'évaporation, la fusion et l'ébullition sont également des «changements de phase». Autrement dit, ce sont des changements dans l'eau (ou dans d'autres fluides ou gaz) qui ont lieu à température et pression constantes. 

Tracer un processus isotherme

En physique, la cartographie de ces réactions et processus se fait à l'aide de diagrammes (graphiques). Dans un diagramme de phases, un processus isotherme est tracé en suivant une ligne verticale (ou plan, dans un diagramme de phases 3D) le long d'une température constante. La pression et le volume peuvent changer afin de maintenir la température du système.

Au fur et à mesure qu'elles changent, il est possible pour une substance de changer son état de matière même si sa température reste constante. Ainsi, l'évaporation de l'eau à l'ébullition signifie que la température reste la même lorsque le système change de pression et de volume. Ceci est ensuite tracé avec la tempérance restant constante le long du diagramme. 

Ce que tout cela signifie

Lorsque les scientifiques étudient les processus isothermes dans les systèmes, ils examinent réellement la chaleur et l'énergie et la connexion entre eux et l'énergie mécanique nécessaire pour modifier ou maintenir la température d'un système. Une telle compréhension aide les biologistes à étudier comment les êtres vivants régulent leurs températures. Il entre également en jeu dans l'ingénierie, les sciences spatiales, les sciences planétaires, la géologie et de nombreuses autres branches de la science. Les cycles thermodynamiques (et donc les processus isothermes) sont l'idée de base derrière les moteurs thermiques. Les humains utilisent ces appareils pour alimenter les centrales électriques et, comme mentionné ci-dessus, les voitures, camions, avions et autres véhicules. De plus, de tels systèmes existent sur des fusées et des vaisseaux spatiaux. Les ingénieurs appliquent les principes de la gestion thermique (en d'autres termes, la gestion de la température) pour augmenter l'efficacité de ces systèmes et processus. 

Édité et mis à jour par Carolyn Collins Petersen.