Un aperçu de la thermodynamique

La thermodynamique est le domaine de la physique qui traite de la relation entre la chaleur et d'autres propriétés (telles que la pression, la densité, la température, etc.) dans une substance.

Plus précisément, la thermodynamique se concentre en grande partie sur la façon dont un transfert de chaleur est lié à divers changements d'énergie au sein d'un système physique soumis à un processus thermodynamique. De tels processus entraînent généralement des travaux effectués par le système et sont guidés par les lois de la thermodynamique.

Concepts de base du transfert de chaleur

D'une manière générale, la chaleur d'un matériau est comprise comme une représentation de l'énergie contenue dans les particules de ce matériau. C'est ce que l'on appelle la théorie cinétique des gaz, bien que le concept s'applique également à divers degrés aux solides et aux liquides. La chaleur du mouvement de ces particules peut se transférer dans les particules voisines, et donc dans d'autres parties du matériau ou d'autres matériaux, par une variété de moyens:

• Contact thermique c'est quand deux substances peuvent affecter la température de l'autre.
• Équilibre thermique c'est quand deux substances en contact thermique ne transfèrent plus de chaleur.
• Dilatation thermique a lieu lorsqu'une substance augmente de volume à mesure qu'elle gagne de la chaleur. La contraction thermique existe également.
• Conduction est lorsque la chaleur circule à travers un solide chauffé.
• Convection c'est quand des particules chauffées transfèrent de la chaleur à une autre substance, comme faire cuire quelque chose dans de l'eau bouillante.
• Radiation c'est quand la chaleur est transférée à travers les ondes électromagnétiques, comme du soleil.
• Isolation est lorsqu'un matériau à faible conductivité est utilisé pour empêcher le transfert de chaleur.

Processus thermodynamiques

Un système subit un processus thermodynamique lorsqu'il y a une sorte de changement énergétique dans le système, généralement associé à des changements de pression, de volume, d'énergie interne (c'est-à-dire de température), ou de toute sorte de transfert de chaleur.

Il existe plusieurs types spécifiques de processus thermodynamiques qui ont des propriétés spéciales:

• Processus adiabatique - un processus sans transfert de chaleur dans ou hors du système.
• Processus isochorique - un processus sans changement de volume, auquel cas le système ne fonctionne pas.
• Processus isobare - un processus sans changement de pression.
• Processus isotherme - un processus sans changement de température.

États de la matière

Un état de la matière est une description du type de structure physique qu'une substance matérielle manifeste, avec des propriétés qui décrivent comment le matériau se maintient (ou non). Il existe cinq états de la matière, bien que seuls les trois premiers d'entre eux soient généralement inclus dans notre façon de penser les états de la matière:

• gaz
• liquide
• solide
• plasma
• superfluide (comme un condensat de Bose-Einstein)

De nombreuses substances peuvent faire la transition entre les phases gazeuse, liquide et solide de la matière, alors que seules quelques substances rares sont connues pour pouvoir entrer dans un état superfluide. Le plasma est un état de matière distinct, comme la foudre 

• condensation - du gaz au liquide
• congélation - liquide à solide
• fusion - solide à liquide
• sublimation - solide à gaz
• vaporisation - liquide ou solide en gaz

Capacité thermique

La capacité calorifique, C, d'un objet est le rapport de variation de la chaleur (changement d'énergie, ΔQ, où le symbole grec Delta, Δ, désigne un changement de quantité) pour changer de température (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

La capacité thermique d'une substance indique la facilité avec laquelle une substance se réchauffe. Un bon conducteur thermique aurait une faible capacité thermique, ce qui indique qu'une petite quantité d'énergie provoque un grand changement de température. Un bon isolant thermique aurait une grande capacité thermique, ce qui indique que beaucoup de transfert d'énergie est nécessaire pour un changement de température.

Équations de gaz idéales

Il existe différentes équations de gaz idéaux qui relient la température (T₁), pression (P₁) et le volume (V₁). Ces valeurs après un changement thermodynamique sont indiquées par (T₂), (P₂), et (V₂). Pour une quantité donnée d'une substance, n (mesuré en moles), les relations suivantes s'appliquent:

La loi de Boyle ( T est constant):
P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂
Loi Charles / Gay-Lussac (P est constant):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Loi du gaz idéal:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R est le constante de gaz idéale, R = 8,3145 J / mol * K. Pour une quantité donnée de matière, donc, nR est constant, ce qui donne la loi du gaz idéal.

Lois de la thermodynamique

• Zeroeth Law of Thermodynamics - Deux systèmes en équilibre thermique chacun avec un troisième système en équilibre thermique l'un avec l'autre.
• Première loi de la thermodynamique - Le changement dans l'énergie d'un système est la quantité d'énergie ajoutée au système moins l'énergie dépensée pour le travail.
• Deuxième loi de la thermodynamique - Il est impossible pour un processus d'avoir pour seul résultat le transfert de chaleur d'un corps plus froid vers un corps plus chaud.
• Troisième loi de la thermodynamique - Il est impossible de réduire un système à zéro absolu dans une série finie d'opérations. Cela signifie qu'un moteur thermique parfaitement efficace ne peut pas être créé.

La deuxième loi et l'entropie

La deuxième loi de la thermodynamique peut être reformulée pour parler de entropie, qui est une mesure quantitative du trouble dans un système. Le changement de chaleur divisé par la température absolue est le changement d'entropie du processus. Ainsi définie, la deuxième loi peut être reformulée comme suit:

Dans tout système fermé, l'entropie du système restera constante ou augmentera.

Par «système fermé», cela signifie que chaque une partie du processus est incluse lors du calcul de l'entropie du système.

En savoir plus sur la thermodynamique

À certains égards, traiter la thermodynamique comme une discipline distincte de la physique est trompeur. La thermodynamique touche pratiquement tous les domaines de la physique, de l'astrophysique à la biophysique, car ils traitent tous d'une manière ou d'une autre du changement d'énergie dans un système. Sans la capacité d'un système à utiliser l'énergie au sein du système pour faire du travail - le cœur de la thermodynamique - il n'y aurait rien à étudier pour les physiciens..

Cela dit, certains domaines utilisent la thermodynamique au fur et à mesure qu'ils étudient d'autres phénomènes, tandis qu'il existe un large éventail de domaines qui se concentrent fortement sur les situations thermodynamiques impliquées. Voici quelques-uns des sous-domaines de la thermodynamique:

• Cryophysique / Cryogénie / Physique des basses températures - l'étude des propriétés physiques dans des situations de basse température, bien en dessous des températures rencontrées même sur les régions les plus froides de la Terre. Un exemple de ceci est l'étude des superfluides.
• Dynamique des fluides / Mécanique des fluides - l'étude des propriétés physiques des "fluides", définis spécifiquement dans ce cas comme étant des liquides et des gaz.
• Physique des hautes pressions - l'étude de la physique dans les systèmes à très haute pression, généralement liée à la dynamique des fluides.
• Météorologie / Physique météorologique - la physique du temps, les systèmes de pression dans l'atmosphère, etc..
• Physique des plasmas - l'étude de la matière à l'état plasma.