La thermodynamique est une science qui permet de décrire, d’étudier, de quantifier les transformations (les évolutions, les échanges) entre un système donné et l’extérieur.
Pour comprendre un peu le mot thermodynamique découpons-le, Thermo pour la température, et dynamique pour le mouvement. Ou comment la température affecte l’énergie et la matière autour de nous !
La Thermodynamique, Qu’est-ce Que C’est ?
Eh bien, c’est la science qui étudie le comportement de la matière en fonction de la température et de l’énergie. En d’autres termes, elle analyse comment la chaleur et d’autres formes d’énergie qui influencent les transformations des systèmes physiques.
La thermodynamique est basée sur des observations expérimentales. Elle permet de suivre les évolutions et les transformations de différents systèmes, de la matière d’un point A à un point B.
Pour bien comprendre, il faut d’abord s’intéresser à deux notions fondamentales : l’énergie interne et l’entropie.
L’énergie interne, notée U, est une énergie propre à la matière. C’est un principe de conservation d’énergie, qui peut être échangé ou stocké. L’énergie ne disparaît pas, elle se transforme.
"Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme."
L’entropie, notée S, est un autre concept clé. Elle représente une idée de désordre ou plus précisément une "mélangeabilité" microscopique d’un système. L’entropie ne peut qu’augmenter, si un système physique perd de l’entropie, alors l’univers (tout ce qui existe autour de nous) en gagne, et vice-versa.
Types et notion de Systèmes
Pour bien comprendre la thermodynamique, il est crucial de savoir ce qu’est un système. Un système peut être ouvert, fermé ou isolé. Cette classification dépend de la manière dont le système échange la matière et l’énergie avec son environnement.
Système Isolé
Un système isolé n’échange ni matière ni énergie avec l’extérieur. Un système isolé est entouré de vide. Un exemple plus précis serait une fusée dans l’espace, totalement coupée du monde extérieur.
Système Fermé
Un système fermé n’échange pas de matière, mais peut échanger de l’énergie. Imaginez une bouteille fermée par un bouchon. La matière à l’intérieur reste la même, mais la chaleur peut passer à travers la paroi de la bouteille.
Système Ouvert
Un système ouvert, quant à lui, échange à la fois matière et énergie avec son environnement. Prenez une bouteille ouverte par exemple. La matière et l’énergie peuvent entrer et sortir librement. Pour une pompe à chaleur, c’est le rôle de la source froide par exemple.
Paramètres qui définissent l’état d’un système :
- La température (T) en degré Kelvin.
- La pression (P) se mesure en pascal (1 Pa = 1 N/m◊) ou le bar (1 bar = 100 000 Pa).
- Le volume (V) qui se mesure en M3.
- L’énergie interne (U) se mesure en J/kg c’est la somme des énergies dues à l’agitation des particules
- L’enthalpie (H) se mesure en J/kg, à pression constante l’enthalpie exprime la quantité de chaleur échangée.
- L'entropie (S) se mesure en J/K.
- Le travail (W) qui se mesure en Watt (une énergie mécanique).
- La chaleur (Q) qui se mesure en Watt (énergie thermique) .
Les Transformations des Systèmes
Maintenant que nous avons défini les différents types de systèmes, intéressons-nous aux transformations qu’ils peuvent subir. La thermodynamique se concentre sur quatre types principaux de transformations : isotherme, adiabatique, isobare et isochore.
Transformation Isotherme
Une transformation isotherme se produit à température constante. L’énergie interne du système reste constante, mais il peut échanger de la chaleur avec l’extérieur. Imaginez un gaz dans un piston qui se comprime ou se dilate tout en maintenant une température constante.
Transformation Adiabatique
Une transformation adiabatique se fait sans échange de chaleur avec l’extérieur. Toute l’énergie interne du système est utilisée pour effectuer le travail. C’est typiquement ce qui se passe dans une compression ou une détente rapide de gaz, comme dans un moteur à combustion interne.
Transformation Isobare
Une transformation isobare se produit à pression constante. Ici, c’est la pression qui reste inchangée, tandis que la température et le volume du système peuvent varier.
Transformation Isochore
Enfin, une transformation isochore se déroule à volume constant. Dans ce cas, le volume du système ne change pas, mais la température et la pression peuvent évoluer.
Lois et principes fondamentaux en thermodynamique !
Pour comprendre la thermodynamique, il est essentiel de connaître ses lois ou principes fondamentales. Il y en existe trois lois principalement : La loi zéro, la première et la deuxième loi.
Le principe Zéro
Ce principe traite de la température et de l’idée d’équilibre thermique. Ce principe est fondamental en thermométrie (mesure de la température) : il stipule que la température est une mesure identifiable et, par conséquent, qu’il est possible de la quantifier par des comparaisons.
La Première Loi
La première loi de la thermodynamique est le principe de conservation de l’énergie. Elle affirme que l’énergie totale d’un système isolé reste constante. Autrement dit, l’énergie peut changer de forme, mais elle ne se crée ni ne se détruit.
Exemple :
À la pression atmosphérique l’eau boue à 100°C
Rien n’interdit dans le premier principe de la thermodynamique que l’eau puisse bouillir à 80 degrés, si la pression atmosphérique est plus basse.
La Deuxième Loi
La deuxième loi de la thermodynamique concerne l’entropie. Elle stipule que l’entropie totale d’un système isolé ne peut qu’augmenter. Cette loi explique pourquoi certains processus sont irréversibles. Par exemple, la chaleur ne peut pas spontanément passer d’un corps froid à un corps chaud sans une intervention extérieure. Le fonctionnement de la pompe à chaleur est l’exemple type de transfert d’énergie non spontané d’un corps froid vers un corps chaud.
Applications de la Thermodynamique
La thermodynamique n’est pas seulement un concept théorique. Elle a de nombreuses applications pratiques dans notre vie quotidienne et industrielle.
Les Moteurs Thermiques
Les moteurs thermiques utilisent les principes de la thermodynamique pour convertir la chaleur en travail. Les moteurs à combustion interne, les turbines à gaz et les moteurs à vapeur sont des exemples de moteurs thermiques. Ces dispositifs sont omniprésents dans les transports, l’industrie et la production d’électricité.
La climatisation, le réfrigérateur !
Les réfrigérateurs et les climatiseurs fonctionnent en exploitant les principes de la thermodynamique pour transférer la chaleur d’un endroit à un autre. En utilisant un fluide frigorigène, ces appareils absorbent la chaleur à basse température et la rejettent à une température plus élevée, refroidissant ainsi l’espace intérieur.
Les Énergies Renouvelables
La thermodynamique joue également un rôle crucial dans le développement des énergies renouvelables. Les panneaux solaires, par exemple, convertissent l’énergie solaire en électricité en utilisant des principes thermodynamiques.
Les Centrales Électriques
Les centrales électriques utilisent les principes de la thermodynamique pour convertir l’énergie thermique en électricité.
Pour conclure
Voilà, nous avons parcouru ensemble les bases de la thermodynamique. Nous avons vu ce que c’est, comment elle fonctionne, ses lois, ses types de systèmes, ses transformations et ses applications. La thermodynamique est une science complexe et essentielle qui couvre de nombreux aspects de notre vie quotidienne ainsi que dans les domaines du froid et de la climatisation.
