Nous expliquons quelles sont les lois de la thermodynamique, quelle est l’origine de ces principes et les principales caractéristiques de chacun.
Quelles sont les lois de la thermodynamique ?
Les lois de la thermodynamique (ou les principes de la thermodynamique) décrivent le comportement de trois grandeurs physiques fondamentales, la température , l’énergie et l’ entropie , qui caractérisent les systèmes thermodynamiques. Le terme « thermodynamique » vient du grec thermos , signifiant « chaleur », et dynamos , signifiant « force ».
Mathématiquement, ces principes sont décrits par un ensemble d’équations qui expliquent le comportement des systèmes thermodynamiques , définis comme tout objet d’étude (d’une molécule ou d’un être humain , à l’ atmosphère ou à l’eau bouillante dans une casserole).
Il existe quatre lois de la thermodynamique et elles sont cruciales pour comprendre les lois physiques de l’ univers et l’impossibilité de certains phénomènes comme le mouvement perpétuel .
Voir aussi: Principe de conservation de l’énergie
Origine des lois de la thermodynamique
Les quatre principes de la thermodynamique ont des origines différentes, et certains ont été formulés à partir des précédents . Le premier à être établi, en fait, fut le second, l’œuvre du physicien et ingénieur français Nicolás Léonard Sadi Carnot en 1824.
Cependant, en 1860, ce principe a été formulé à nouveau par Rudolf Clausius et William Thompson, puis en ajoutant ce que nous appelons maintenant la première loi de la thermodynamique. Plus tard, le troisième est apparu, également connu sous le nom de « postulat de Nerst » car il est né grâce aux études de Walther Nernst entre 1906 et 1912.
Enfin, la soi-disant « loi zéro » est apparue en 1930 , proposée par Guggenheim et Fowler. Il faut dire qu’elle n’est pas reconnue comme une véritable loi dans tous les domaines.
Première loi de la thermodynamique
La première loi est appelée « Loi de la conservation de l’énergie » car elle dicte que dans tout système physique isolé de son environnement, la quantité totale d’énergie sera toujours la même , même si elle peut être transformée d’une forme d’énergie à une autre différente. ceux. . Ou en d’autres termes : l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, seulement transformée.
Ainsi, en fournissant une quantité donnée de chaleur (Q) à un système physique, sa quantité totale d’énergie peut être calculée comme la chaleur fournie moins le travail (W) effectué par le système sur son environnement. Exprimé dans une formule : ΔU = Q – W .
Comme exemple de cette loi, imaginons le moteur d’un avion . Il s’agit d’un système thermodynamique composé de carburant qui réagit chimiquement pendant le processus de combustion , libérant de la chaleur et effectuant un travail (ce qui fait bouger l’avion). Donc : si nous pouvions mesurer la quantité de travail effectué et la chaleur dégagée, nous pourrions calculer l’énergie totale du système et conclure que l’énergie dans le moteur est restée constante pendant le vol : l’énergie n’a été ni créée ni détruite, mais plutôt fabriquée. passer de l’énergie chimique à l’énergie thermique et à l’énergie cinétique (mouvement, c’est-à-dire travail).
Deuxième loi de la thermodynamique
La deuxième loi, également appelée « loi de l’entropie », peut être résumée comme la quantité d’ entropie dans l’univers tend à augmenter avec le temps . Cela signifie que le degré de désordre des systèmes augmente jusqu’à atteindre un point d’équilibre, qui est l’état de plus grand désordre du système.
Cette loi introduit une notion fondamentale en physique : la notion d’entropie (représentée par la lettre S), qui dans le cas des systèmes physiques représente le degré de désordre. Il s’avère que dans chaque processus physique dans lequel il y a une transformation d’énergie, une certaine quantité d’énergie n’est pas utilisable, c’est-à-dire qu’elle ne peut pas faire de travail. S’il ne peut pas fonctionner, dans la plupart des cas, cette énergie est de la chaleur. Cette chaleur dégagée par le système, ce qu’elle fait, c’est augmenter le désordre du système, son entropie. L’entropie est une mesure du désordre d’un système.
La formulation de cette loi stipule que la variation d’entropie (dS) sera toujours égale ou supérieure au transfert de chaleur (dQ) , divisé par la température (T) du système. C’est-à-dire que : dS ≥ dQ / T.
Pour comprendre cela avec un exemple, il suffit de brûler une certaine quantité de matière puis de récupérer les cendres qui en résultent. En les pesant, nous vérifierons qu’il s’agit de moins de matière qu’elle ne l’était dans son état initial : une partie de la matière s’est transformée en chaleur sous forme de gaz qui ne peuvent pas travailler sur le système et qui contribuent à son désordre.
Troisième loi de la thermodynamique
La troisième loi stipule que l’entropie d’un système amené au zéro absolu sera une constante définie . Autrement dit:
- En atteignant le zéro absolu (zéro en unités de Kelvin), les processus des systèmes physiques s’arrêtent.
- En atteignant le zéro absolu (zéro en unités Kelvin), l’entropie a une valeur minimale constante.
Il est difficile d’atteindre le soi-disant zéro absolu (-273,15°C) au quotidien, mais on peut penser à cette loi en analysant ce qui se passe dans un congélateur : les aliments que nous y mettrons deviendront tellement froids que le biochimique les processus dans son congélateur ralentiront ou même s’arrêteront. C’est pourquoi sa décomposition est retardée et il pourra être consommé beaucoup plus longtemps.
Loi zéro de la thermodynamique
La « loi zéro » est connue sous ce nom bien qu’elle ait été la dernière à s’appliquer. Également connu sous le nom de loi de l’équilibre thermique , ce principe dicte que : « Si deux systèmes sont indépendamment en équilibre thermique avec un troisième système, ils doivent également être en équilibre thermique l’un avec l’autre. » Il peut être exprimé logiquement comme suit : si A = C et B = C, alors A = B.
Cette loi nous permet de comparer l’énergie thermique de trois corps différents A, B et C. Si le corps A est en équilibre thermique avec le corps C (ils ont la même température) et que B a également la même température que C, alors A et B ont la même température.
Une autre façon d’énoncer ce principe est d’affirmer que lorsque deux corps de températures différentes sont mis en contact, ils échangent de la chaleur jusqu’à ce que leurs températures soient égales.
Des exemples quotidiens de cette loi sont faciles à trouver. Lorsque nous entrons dans de l’eau chaude ou froide, nous ne remarquerons la différence de température que pendant les premières minutes puisque notre corps entrera alors en équilibre thermique avec l’ eau et nous ne remarquerons plus la différence. La même chose se produit lorsque nous entrons dans une pièce chaude ou froide : nous remarquerons d’abord la température, mais ensuite nous cesserons de remarquer la différence car nous entrerons en équilibre thermique avec elle.
