Thermodynamique

 

Les points de départ de beaucoup de raisonnements en thermodynamique sont les principes (appelés aussi loi de la thermodynamique) , qui postulent que l'énergie peut être échangée entre les systèmes physiques sous forme de chaleur ou de travail. Ils postulent également l'existence d'une quantité appelée entropie, qui peut être définie pour tout système isolé en équilibre thermodynamique.
En thermodynamique, les interactions entre les grands ensembles d'objets sont étudiées et classées. Au centre, il y a les concepts de système et de milieu extérieur. Un système est composé de particules, dont le mouvement moyen définit les propriétés et qui à leur tour sont liées les unes aux autres par les équations d'état.


Les propriétés peuvent être combinées pour exprimer l'énergie interne et les potentiels thermodynamiques, qui sont utiles pour déterminer les conditions d'équilibre et les processus spontanés.

Avec ces outils, la thermodynamique décrit comment les systèmes réagissent aux changements de leur environnement. Cela peut être appliqué à une vaste gamme de sujets en sciences et en ingénierie, comme les moteurs, les transitions de phase, les réactions chimiques, les phénomènes de transport, et même les trous noirs. Les résultats de la thermodynamique sont essentiels dans d’autres domaines de la physique et de chimie : le génie chimique, le génie aérospatial, le génie mécanique, la biologie cellulaire, le génie biomédical, la science des matériaux et l'économie pour ne citer que quelques-uns.  

 

 

Histoire

     

On fait généralement commencer l'histoire, comme discipline scientifique, de la thermodynamique par Otto von Guericke, qui, en 1650, conçu et construit la pompe à vide et montra l'effet du vide à l'aide de ses hémisphères de Magdebourg. Guericke voulut faire le vide pour réfuter l’affirmation de longue date d'Aristote que la nature a horreur du vide.
Peu de temps après Guericke, le physicien irlandais et chimiste Robert Boyle se basant sur le modèle de Guericke , en 1656, en coordination avec le savant anglais Robert Hooke, construisit une pompe à air. Utilisant cette pompe, Boyle et Hooke remarquèrent une corrélation entre la pression, la température et le volume. Avec le temps, la loi de Boyle fut formulée, elle énonce que la pression et le volume sont inversement proportionnels. Puis, en 1679, basé sur ces concepts, un associé de Boyle nommé Denis Papin construisit une marmite , qui était un récipient fermé avec un couvercle hermétique qui permettait de chauffer l’eau au-dessus de son point d’ébullition. Plus tard, il y fut ajouté une vanne de sécurité. En voyant cette vanne monter et descendre rythmiquement, Papin conçu l'idée d'un piston et d’un moteur à cylindre. Il n'a cependant pas suivi son idée.

Néanmoins, en 1697, basé sur les dessins de Papin, l'ingénieur Thomas Savery construisit les premiers moteurs. Bien que ces moteurs étaient au début rudimentaires et inefficaces, ils ont attiré l'attention des plus grands savants de l'époque. Leurs travaux ont abouti 127 ans plus tard: Sadi Carnot, le «père de la thermodynamique», publia , en 1824, Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance , un traité sur la chaleur, la puissance et l'efficacité du moteur. Le document décrit les relations énergétiques entre le moteur de Carnot, le cycle de Carnot, et la force motrice. Il marqua le début de la thermodynamique comme science moderne.


Le terme thermodynamique a été inventé par James Joule en 1849 pour désigner la science des rapports entre la chaleur et l'électricité. En 1858, «thermo-dynamique», comme terme fonctionnel, a été utilisé dans le document de William Thomson « An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat» ( L’importance de la théorie de Carnot sur la force motrice de la chaleur).
Le premier manuel de thermodynamique a été écrit en 1859 par William Rankine, qui avait, à l’origine, une formation de physicien et était professeur de génie civil et mécanique à l'Université de Glasgow . La thermodynamique classique est une variation des années 1800 de la thermodynamique originale, qui s’occupe de la description des états et propriétés thermodynamiques comme l'énergie, le travail et la chaleur et avec les principes de la thermodynamique, l'ensemble manquant d'une interprétation atomique.  
Sous sa forme classique, la thermodynamique dérive du postulat émis par le chimiste Robert Boyle en 1662 qui dit que la pression P d’une quantité de gaz varie en raison inverse de son volume V à température constante, ce est-à-dire sous forme de l’équation : PV = k , k étant une constante. De là, un semblant de thermo-science a commencé à se développer avec le premier succès de la construction des machines à vapeur en Angleterre par Thomas Savery en 1697 et Thomas Newcomen en 1712.


Le premier et le deuxième principe de la thermodynamique ont apparu simultanément dans les années 1850, principalement par les travaux de William Rankine, Rudolf Clausius et William Thomson (Lord Kelvin). Avec le développement des théories atomiques et moléculaires dans la fin des années 1800 et début des années 1900, la thermodynamique reçut une interprétation moléculaire. Ce domaine, appelé la mécanique statistique ou thermodynamique statistique, relie les propriétés microscopiques des atomes et des molécules aux propriétés macroscopiques qui peuvent être observés dans la vie quotidienne, ce qui explique la thermodynamique comme le résultat naturel de la statistique et de la mécanique (classique et quantique) à l'échelle microscopique. L'approche statistique est en contraste avec la thermodynamique classique, qui est une approche plus phénoménologique qui n'inclut pas les détails microscopiques.

Les fondements de la thermodynamique statistique ont été énoncés par des physiciens tels que James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius et J. Willard Gibbs. La thermodynamique chimique est l'étude de la corrélation entre l'énergie et les réactions chimiques ou les changements d’état dans les limites des lois de la thermodynamique.
Au cours de l'année 1873-76 , le physicien mathématicien américain Josiah Willard Gibbs a publié une série de trois articles, le plus célèbre étant sur l'équilibre des substances hétérogènes, dans lequel il a montré comment les processus thermodynamiques peuvent être analysés sous forme graphique, par l'étude de l'énergie, l'entropie, le volume, la température et la pression du système thermodynamique de telle manière que l’on puisse déterminer si un processus se produit spontanément.
Au cours de début du 20e siècle, les chimistes comme Gilbert N. Lewis, Merle Randall, et EA Guggenheim ont commencé à appliquer les méthodes mathématiques de Gibbs à l'analyse des procédés chimiques.

 

Les quatre principes

Le présent article se concentre sur la thermodynamique classique, qui est axée sur les systèmes en équilibre thermodynamique. Il est sage de faire la distinction entre la thermodynamique classique et la thermodynamique de non-équilibre, qui concerne les systèmes qui ne sont pas en équilibre thermodynamique. En thermodynamique, il existe quatre principes qui ne dépendent pas des détails des systèmes à l'étude ou de la façon dont ils interagissent. C'est pourquoi ces principes sont très généralement valable, et peuvent être appliquées à des systèmes dont on sait rien d'autre que la balance d’énergie et de transfert de matière. De tels systèmes sont, par exemple, la prédiction d'Einstein au début du 20e siècle, sur l’émission spontanée, ou la recherche en cours sur la thermodynamique des trous noirs. Ces quatre principes sont les suivants:
• Le principe zéro de la thermodynamique à propos de l'équilibre thermique : Si deux systèmes thermodynamiques sont séparément en équilibre thermique avec un troisième, ils sont aussi en équilibre thermique avec l'un l’autre. Ce principe est tacitement admis dans chaque mesure de la température. Ainsi, si nous voulons savoir si deux corps sont à la même température, il n'est pas nécessaire de les mettre en contact et de regarder si leurs propriétés changent avec le temps. Ce principe a été considéré comme si évident qu’il a été ajouté par après d'où la désignation, Zéro plutôt que quatrième. En bref, si l'énergie thermique de la matière A est égale à l'énergie thermique du matériau B, et B est égale à l'énergie thermique des matières C, donc A et C doivent également être égaux.      
• Premier principe de la thermodynamique, sur la conservation de l'énergie : La variation de l'énergie interne d'un système thermodynamiquement fermé est égale à la somme de la quantité de chaleur fournie ou retirée du système et du travail effectué sur ou par le système. On peut dire, «Dans un système isolé la chaleur est constante. "
• Deuxième loi de la thermodynamique, sur l'entropie: L'entropie totale de tout système thermodynamiquement isolé augmente toujours avec le temps, se rapprochant d'une valeur maximale. Nous pouvons aussi dire : «Dans un système isolé, l'entropie ne diminue jamais ». Une autre façon de l'exprimer : « La chaleur ne peut pas spontanément passer d’un endroit froid à un endroit plus chaud - le travail est nécessaire pour atteindre cet objectif. «  
  • Troisième principe de la thermodynamique, sur la température zéro absolu : Quand un système tend asymptotiquement vers zéro absolu de température,tous les processus cessent et l'entropie du système tend asymptotiquement vers une valeur minimale. On peut également déclarer que: "l'entropie de tous les systèmes et de tous les états d'un système est nulle au zéro absolu» ou de manière équivalente: «Il est impossible d'atteindre le zéro absolu de température par un nombre fini de processus". Le zéro absolu, à laquelle toute activité cesserait s'il était possible d'y arriver, est -273,15 ° C (degrés Celsius), ou -459,67 ° F (degrés Fahrenheit) ou 0 K (kelvins, anciennement parfois degrés absolus ou degré Kelvin). La thermodynamique non-classique définit une température absolue négative.( Condensats Bose-Einstein)  

Potentiels

Il existe des quantités énergétiques appelées potentiels thermodynamiques, ce sont des mesures quantitatives de l'énergie stockée dans le système. On peut tirer ces quantités du bilan d’énergie. Les quatre potentiels les plus connus sont : l’énergie interne, énergie libre de Helmholtz , enthalpie , et l’énergie libre de Gibbs       D'autres potentiels thermodynamiques peuvent être obtenus par transformation de Legendre. Les potentiels sont utilisés pour mesurer les changements d’énergie dans les systèmes quand ils évoluent d’un état initial à un état un état final. Le potentiel utilisé dépend des contraintes du système, comme la température ou la pression constante. L’enthalpie est l'énergie interne du système plus l'énergie liée au travail pression-volume, et les énergies de Helmholtz et de Gibbs sont les énergies disponibles dans un système pour exécuter un travail utile quand la température et le volume ou la pression et la température sont fixées, respectivement.  

Modèles de système

  Une notion importante dans la thermodynamique est celle de «système». Tout dans l'univers, sauf le système-même est connu sous le nom milieu externe. Un système est la région de l'univers à l'étude. Un système est isolé du reste de l'univers par une frontière qui peut être imaginaire ou pas, mais qui, par convention délimite un volume fini. Les échanges de travail,de chaleur, ou de matière entre le système et l’environnement ont lieu à travers cette barrière. Les limites sont de quatre types : fixe, mobile, réelle et imaginaire. Fondamentalement, la «frontière» est simplement une ligne imaginaire pointillée tracée autour d’un volume de quelque chose quand il va y avoir un changement de l’énergie interne de ce quelque chose. Tout ce qui passe à travers la frontière qui effectue un changement dans l'intérieur de l'énergie de la chose doit être pris en compte dans l'équation du bilan énergétique. Ce quelque chose peut être la région volumétrique autour de l’énergie de résonnance d’un seul atome, tel que Max Planck la définit en 1900, il peut être un corps de vapeur ou d'air dans un moteur à vapeur, tels que définis Sadi Carnot en 1824, il peut être le corps d'un cyclone tropical comme Kerry Emanuel en a fait la théorie en 1986 dans le domaine de la thermodynamique atmosphérique, il pourrait également être un seul nucléide (à savoir un système de quarks), comme certains sont actuellement étudiés en thermodynamique quantique. Pour les systèmes fermés, les frontières sont réelles, alors que les limites du système ouvert sont souvent imaginaires. Il existe cinq classes principales de systèmes :
1. Systèmes isolés - matière et d'énergie ne peuvent pas franchir la frontière
2. Systèmes adiabatiques - chaleur ne doit pas franchir la limite
3. Systèmes diathermique - la chaleur peut traverser limite
4. Systèmes fermés – la matière peut franchir la limite
5. Systèmes ouverts - chaleur, de travail, et la matière peuvent franchir la frontière (souvent appelé un volume de contrôle dans ce cas)
Au cours du temps, dans un système isolé, les différences internes dans le système ont tendance à s’ uniformiser et les pressions et les températures tendent à s'égaliser, tout comme les différences de densité. Un système dans lequel tous les processus d'égalisation sont terminés est considérée comme en état d'équilibre thermodynamique. En équilibre thermodynamique, les propriétés d'un système sont, par définition, immuable dans le temps. Les systèmes en équilibre sont beaucoup plus simples et plus faciles à comprendre que les systèmes qui ne sont pas en équilibre. Souvent, lors de l'analyse d'un processus thermodynamique, on peut supposer que chaque état intermédiaire dans le processus est un état d’équilibre. Cela permettra également de simplifier considérablement la situation. Les processus thermodynamiques qui se développent assez lentement pour permettre à chaque étape intermédiaire d’atteindre un état d'équilibre sont, dit-on des processus réversibles.

Variables conjuguées

Le concept central de la thermodynamique est celui de l'énergie, la capacité à effectuer du travail. Par le premier principe, l'énergie totale d'un système et de son environnement est conservée. L'énergie peut être transférée dans un système par chauffage, par compression ou par ajout de matière, et extrait d'un système par refroidissement, par expansion, ou par extraction de matière. En mécanique, par exemple, le transfert d'énergie est égal au produit de la force appliquée à un corps par le déplacement résultant. En sciences physiques, on appelle variables conjuguées, un couple de deux variables vérifiant les propriétés suivantes :

•      L'une est intensive et l'autre extensive.
•      Leur produit est homogène à une énergie.

Les variables conjuguées communes sont les suivantes:

  • La pression (variable intensive) est la variable conjuguée du volume (variable extensive).

  • La température (variable intensive) est la variable conjuguée de l'entropie (variable extensive).

  • La tension (variable intensive) est la variable conjuguée de la charge (variable extensive).

  • Le temps (variable intensive) est la variable conjuguée de la puissance (variable extensive).

  • La vitesse (variable intensive) est la variable conjuguée de la quantité de mouvement (variable extensive)

  • La vitesse angulaire (variable intensive) est la variable conjuguée du moment cinétique (variable extensive).

  • La distance (variable intensive) est la variable conjuguée de la force (variable extensive).

  • L'intensité (variable intensive) est la variable conjuguée du flux d'induction magnétique (variable extensive).

  • Le potentiel chimique (variable intensive) est la variable conjuguée de la quantité de matière (variable extensive).

  Instrumentation

Il existe deux types d'instruments thermodynamiques, le compteur et le réservoir. Un compteur thermodynamique est un appareil qui mesure tous les paramètres d'un système thermodynamique. Dans certains cas, le paramètre thermodynamique est effectivement défini en termes d'un instrument de mesure idéalisé. Par exemple, le principe zéro établit que si deux corps sont en équilibre thermique avec un troisième, ils sont aussi en équilibre thermique l'un avec l'autre. Ce principe, tel que mentionné par James Maxwell en 1872, permet de mesurer la température. Un thermomètre idéalisé est un échantillon d'un gaz parfait à pression constante. De la loi des gaz parfaits pV = nRT, le volume d'un tel échantillon peut être utilisé comme un indicateur de la température; de cette manière il définit la température. Bien que la pression soit définie mécaniquement, un dispositif de mesure de la pression, appelé baromètre peut également être construit à partir d'un échantillon d'un gaz parfait maintenu à une température constante. Un calorimètre est un dispositif qui sert à mesurer et à définir l'énergie interne d'un système. Un réservoir thermodynamique est un système qui est si grand qu'il ne modifie pas sensiblement ses paramètres d'état lorsque mis en contact avec le système en test. Il est utilisé pour imposer une valeur définie d'un paramètre d'état sur le système. Par exemple, un réservoir sous pression est un système à une pression particulière, qui impose cette pression à n'importe quel système de test qui lui est relié mécaniquement . L'atmosphère terrestre est souvent utilisée comme un réservoir de pression. Il est important que ces deux types d'instruments soient distincts. Un compteur ne fonctionne pas correctement s’il se comporte comme un réservoir de la variable d'état que l’on essaye de mesurer. Si, par exemple, un thermomètre devait agir comme un réservoir de température, il modifierait la température du système à mesurer, et la lecture serait incorrecte. Les compteurs idéaux n'ont aucun effet sur les variables d'état du système qu'ils mesurent.

Les états et les processus

Quand un système est en équilibre dans un ensemble donné de conditions, il est dit être dans un état défini. L'état thermodynamique du système peut être décrit par un certain nombre de variables intensives et variables extensives. Les propriétés du système peuvent être décrites par une équation d'état qui précise la relation entre ces variables. Un état peut être considéré comme la description quantitative instantanée d'un système avec un nombre de variables demeurant constantes. Un processus thermodynamique peut être défini comme l'évolution dynamique d'un système thermodynamique progressant d'un état initial à un état final. Typiquement, chaque processus thermodynamique se distingue des autres procédés, du point de vue énergique, en fonction des paramètres qui sont maintenus fixes comme la température, la pression ou le volume, etc, En outre, il est utile de regrouper ces processus en paires, dans lesquels une variable de la paire reste constante. Les sept processus thermodynamiques les plus courants sont les suivants :

 

  • Un processus isobare qui se passe à pression constante.

  • Un processus isochore, ou isométriques / isovolumétrique, se produit à volume constant.

  • Un processus isotherme se produit à une température constante.

  • Un processus adiabatique, se produit sans perte ou le gain d'énergie par la chaleur.

  • Un processus isentropique (processus adiabatique réversible ) se produit à une entropie constante.

  • Un processus isenthalpique se produit à une enthalpie constante.

  • Un processus de l'état d'équilibre se produit sans changement de l'énergie interne d'un système.

 

Champs d’application

La thermodynamique atmosphérique , la thermodynamique biologique , la thermodynamique du trou noir,la thermodynamique chimique, la thermodynamique classique, l'équilibre thermodynamique ,la thermodynamique d'entropie maximum, la thermodynamique de non-équilibre ,la philosophie de la physique thermique et statistiques, la psychrométrie, la thermodynamique quantique , la thermodynamique statistique, la thermoéconomie