Thermodynamique, (du grec Therme - chaleur + Dynamis - force) - une branche de la physique appliquée ou du génie thermique théorique qui étudie la transformation du mouvement en chaleur et vice versa. La thermodynamique considère non seulement la répartition de la chaleur, mais aussi les changements physiques et chimiques associés à l'absorption de chaleur par une substance, ainsi qu'à l'inverse, le dégagement de chaleur lors de transformations physiques et chimiques.
Thermodynamique est largement utilisé en chimie physique et en physique chimique dans l'analyse des processus physiques et chimiques, en physiologie et biologie modernes, dans la construction de moteurs, l'ingénierie thermique, l'aviation et la technologie des fusées et de l'espace. Initialement, en thermodynamique, une grande attention était accordée aux processus réversibles et aux états d'équilibre, le nom semblait donc plus approprié.<термостатика>, mais grâce à S. Arrhenius (1859-1927) et G. Eyring (1901-1981), son application à l'analyse des vitesses de réactions chimiques (cinétique chimique) a connu un développement très poussé. Actuellement, le principal problème de la thermodynamique est son application aux processus irréversibles, et de grands progrès ont déjà été réalisés dans la construction d'une théorie comparable en portée à la thermodynamique des processus réversibles.
Sections de thermodynamique
La thermodynamique classique se compose de sections :
- Lois fondamentales de la thermodynamique (parfois aussi appelées principes).
- Équations d'état et autres propriétés de systèmes thermodynamiques simples (gaz parfait, gaz réel, diélectriques et aimants, etc.)
- Processus d'équilibre avec des systèmes simples, cycles thermodynamiques.
- Processus hors équilibre et loi de l'entropie non décroissante.
- Phases thermodynamiques et transitions de phases.
De plus, la thermodynamique moderne comprend également les domaines suivants :
- une formulation mathématique rigoureuse de la thermodynamique basée sur une analyse convexe ;
- thermodynamique non extensive ;
- application de la thermodynamique à des systèmes non standards.
Signification physique de la thermodynamique
La nécessité de la thermodynamique
La thermodynamique est historiquement apparue comme une science empirique portant sur les méthodes de base de conversion de l'énergie interne des corps pour effectuer un travail mécanique. Cependant, au cours de son développement, la thermodynamique a pénétré dans toutes les branches de la physique où il a été possible d'introduire la notion de « température » et a permis de prédire théoriquement de nombreux phénomènes bien avant l'avènement d'une théorie stricte de ces phénomènes.
Lois - principes de la thermodynamique
La thermodynamique repose sur trois lois - principes qui sont formulés sur la base de données expérimentales et peuvent donc être acceptés comme postulats.
* 1ère loi - la première loi de la thermodynamique : Pour W. Leibniz (1646-1716), il était déjà indéniable que dans un système conservateur (semblable à un champ gravitationnel), la somme des énergies cinétiques et potentielles reste inchangée, quelles que soient les transformations de l'une dans l'autre. Un exemple simple est un pendule dont l’énergie cinétique se transforme périodiquement en énergie potentielle et vice versa, et cela pourrait continuer indéfiniment si l’énergie n’était pas dissipée par frottement. Cependant, il existe des frottements dans la suspension, ainsi qu'une résistance de l'air, également causée par le frottement. Par conséquent, le pendule finit par perdre l'énergie cinétique de son mouvement apparent, mais les expériences de Rumfoord et d'autres scientifiques ont indiqué que l'énergie ne se transforme qu'en chaleur et, par conséquent, la température du pendule et de l'environnement augmente. Ainsi, les oscillations strictement périodiques du pendule se transforment en mouvement chaotique de ses molécules et des molécules de l'environnement.
Tout ce qui précède trouve une expression générale dans la première loi de la thermodynamique - la loi de conservation de l'énergie. Selon cette loi, dans toutes ces transformations, l’énergie n’apparaît ni ne disparaît, elle change seulement de forme. Cela a été souligné en 1837 par le penseur remarquable mais presque inconnu C. More dans son article Sur la nature de la chaleur : « Dans des conditions appropriées, l'énergie peut se manifester sous forme de mouvement, de cohésion, d'électricité, de lumière, de chaleur et de magnétisme. » La loi de conservation de l'énergie a été clairement formulée en 1847 par G. Helmholtz (1821-1894), mais même après cela, le caractère universel de la loi n'a pas été immédiatement reconnu. Au 20ème siècle elle a dû être encore généralisée en incluant la relation théoriquement établie par A. Einstein E = mc 2 entre la masse m et l'énergie E (c est la vitesse de la lumière), d'où il résulte que la somme de la masse et de l'énergie reste inchangée.
* 2ème loi - deuxième loi de la thermodynamique : Suite à l'égalisation des températures internes, le système isolé passe dans son état le plus probable, dans lequel le mouvement est extrêmement chaotique. Un tel désir spontané d’un état présentant le plus haut degré de chaos est, en d’autres termes, un désir d’entropie maximale, qui peut être considérée comme une mesure de l’inutilité de l’énergie dans un système thermodynamique. L'essence de la deuxième loi de la thermodynamique, formulée en 1850 par R. Clausius (1822-1888), est que dans un système isolé, la distribution interne de l'énergie change toujours spontanément de sorte que l'entropie atteint sa valeur maximale au prix d'une réduction de l'énergie utile. une partie de l'énergie. Pour cette raison, une machine à mouvement perpétuel du deuxième type est impossible.
L’augmentation irréversible de l’entropie dans les processus thermiques est incompréhensible pour ceux qui commencent tout juste à se familiariser avec la thermodynamique, mais elle n’est pas difficile à expliquer sur la base de la théorie des probabilités. Imaginons deux dés, les six face visible. Si nous les secouons avant de les jeter à nouveau, la probabilité d'obtenir deux six est faible - 1:36. Ainsi, on peut dire que le mouvement aléatoire (mélange) des dés, comme le mouvement chaotique des molécules correspondant à leur énergie thermique, s'avère être la cause du passage d'un état moins probable à un état plus probable. Si nous avons des millions de dés (atomes et molécules pour lesquels des calculs thermodynamiques sont effectués), alors la probabilité que les six tombent simultanément est si négligeable que le système ne peut tout simplement pas s'empêcher d'entrer dans l'un des états les plus probables.
* 3ème loi - troisième loi de la thermodynamique : Si la chaleur est le mouvement vibratoire aléatoire des molécules, alors lors du refroidissement, l'entropie du système devrait diminuer. Lorsque le mouvement thermique s’arrête complètement, le système sera à la température zéro absolue. Il est naturel de supposer qu’à une telle température l’entropie est nulle.
Pour trouver la valeur absolue de l’entropie, il est nécessaire de connaître la capacité thermique à température nulle absolue. Après avoir mesuré la capacité thermique de nombreuses substances à des températures très proches du zéro absolu, W. Nernst (1864-1941) est arrivé à la conclusion que la capacité thermique de toutes les substances cristallines à une température nulle absolue est nulle. Ce théorème thermique de Nernst est désormais appelé la troisième loi de la thermodynamique. Son importance est qu’elle permet de comparer les entropies de différentes substances, puisqu’elles sont toutes égales à zéro au zéro absolu de température.
* Remarque - loi zéro de la thermodynamique : Bien que l’énergie totale d’un système isolé reste constante, la chaleur est transférée de la partie chaude du système vers la partie la plus froide, et à moins que ces parties ne soient isolées les unes des autres, leurs températures finissent par devenir les mêmes. Cette position, que nous connaissons par l'expérience de la vie quotidienne, est parfois appelée la loi zéro de la thermodynamique.
Première loi de la thermodynamique– la variation de l'énergie interne du système lors du passage d'un état à un autre est égale à la somme de la quantité de chaleur fournie au système par l'extérieur et du travail des forces externes agissant sur lui : ∆ U= Q+ UN.
Expressions analytiques:
Par l’énergie interne et le travail : qq= du+ pdV
Par enthalpie : dq=dh-Vdp
La deuxième loi de la thermodynamique appliquée aux cycles. Entropie.
- La chaleur se transfère naturellement uniquement d’un corps ayant une température plus élevée vers un corps ayant une température plus basse et ne peut pas être spontanément transférée à l’état opposé.
- Toute la chaleur provenant du transfert de chaleur ne peut pas être utilisée, mais seulement une partie. Une partie de la chaleur doit aller au dissipateur thermique.
L'entropie est un paramètre de l'état du fluide de travail qui établit un lien entre la quantité de chaleur et la température. S= MS mesuré en J/K.
L'entropie est définie analytiquement comme suit : DS=sigmeq/ T.
Processus thermodynamiques circulaires (cycles directs et inverses). Cycle de Carnot. Efficacité thermique du cycle.
Cycle direct
Cycle inversé
Ɛ=
q2/
jec=q2/(q1-
q2), Ɛ- froid. Coef.
Travail réalisé de l'extérieur.
Une autoproduction impossible. Apport de chaleur du froid au chaud.
Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique idéal. Se compose de 2 processus adiabatiques et 2 processus isothermes.
Travail effectué par le système lui-même.
Capacité thermique. Définition CpEtCVet la connexion entre eux.
La capacité thermique est la quantité de chaleur qui doit être transmise au corps pour le modifier de 1 degré. grandeur physique, qui définit le rapport de l'infinitésimal quantité de chaleurδ Q, reçu par le corps, à l'incrément correspondant de celui-ci température δ T.
- À volume constant, égal au rapport entre la quantité de chaleur fournie au corps au cours du processus à volume constant et la variation de la température corporelle.
- À pression constante, égal au rapport entre la quantité de chaleur transmise au corps dans un processus à pression constante et la variation de la température corporelle dT.
Communication - La notion de capacité thermique est définie aussi bien pour des substances dans divers états d'agrégation (solides, liquides, gaz) que pour des ensembles de particules et quasiparticules (en physique des métaux, par exemple, on parle de la capacité thermique d'un gaz électronique) .
La vapeur d'eau comme fluide de travail,p- v, T- s, h- sdes diagrammes.
La vapeur d'eau est le fluide de travail de la plupart des mécanismes thermiques. État gazeux de l'eau. Il n'a ni couleur, ni goût, ni odeur. Contenu dans la troposphère.
1-2 chauffer l'eau jusqu'à ébullition
2-3 formation de vapeur
3-4 surchauffe de la vapeur
1-2 chauffage
2-3 ébullition (vaporisation)
3-4 surchauffe
VNP - vapeur saturée humide
diagramme de vapeur d'eau pour les processus à vapeur et les cycles des centrales thermiques. 
Les principales caractéristiques de la vapeur d'eau : vapeur saturée et surchauffée, chaleur de vaporisation.
Vapeur saturée- est une vapeur en équilibre thermodynamique avec un liquide ou un solide de même composition. Sa température dépend de la pression du milieu dans lequel se produit le processus d’ébullition.
Vapeur surchauffée - vapeur, chauffé à une température dépassant point d'ébullitionà une pression donnée. La vapeur surchauffée est utilisée dans cycles divers moteurs thermiques afin de les augmenter Efficacité. La vapeur surchauffée est produite dans des appareils spéciaux - surchauffeurs.
Chaleur de vaporisation d'une substance- la quantité de chaleur nécessaire pour convertir 1 mole d'une substance à l'état de vapeur au point d'ébullition. Mesuré en Joules.
Processus thermodynamiques des gaz parfaits. Classification, équation d'état, valeur de l'indicateur "n" dans l'équation généralisantePV^ n= constpour les processus principaux.
Processus de base des gaz parfaits :
Isochore (circulant à volume constant)
Isobare (à pression constante)
Isométrique (à t constant)
Adiabatique (processus dans lequel il n'y a pas d'échange thermique avec l'environnement)
Polytropique (équation satisfaite pv^n=const
Équation d'état : PV= RT ou PV/ T= P.
PV^ n= const ; l'indice polytropique peut prendre n'importe quelle valeur de
Analyse thermodynamique des processus dans les compresseurs.
Terme. L'analyse du compresseur est une certaine quantité de travail consacrée à la compression du fluide de travail à des paramètres initiaux et finaux donnés. Généralement, les compresseurs effectuent une compression polytropique avec un indice polytropique n=1,2.
Types et caractéristiques quantitatives du transfert de chaleur.
Le concept de transfert de chaleur et de transfert de chaleur. Conductivité thermique
- il s'agit du processus de transfert d'énergie interne des parties du corps (ou des corps) les plus chauffées vers des parties (ou des corps) moins chauffées, réalisé par des particules du corps se déplaçant de manière chaotique (atomes, molécules, électrons, etc.). Convection (de lat. convection - « transfert ») est le phénomène de transfert de chaleur dans des liquides ou des gaz, ou des milieux granulaires par des flux de matière. Il existe ce qu'on appelle, qui apparaît spontanément dans une substance lorsqu'elle est inégalement chauffée dans un champ gravitationnel. Forcé – Il provoque lui-même le mouvement de l’environnement.
Rayonnement thermique – transfert de chaleur utilisant des oscillations électromagnétiques de différentes longueurs d'onde. Pertinent à haute température.
Quantité Har-ki.
[J] – quantité de chaleur
[J/s] – flux de chaleur
[W/m^2] – densité de flux thermique
Dissipation thermique – transfert de chaleur du milieu au mur ou du mur au milieu.
Transfert de chaleur – le transfert total de chaleur d’un milieu à un autre.
Équation de conduction thermique pour un mur plat.
Signification physique du coefficient de conductivité thermique. 
La température change uniquement dans la direction de l’axe x. τ
Q=λ/épaisseur de paroi * (tst1 – tst2) F *
λ – coefficient de conductivité thermique du matériau du mur
tst1 – tst2 – différence t terminée. murs
F – surface du mur
Tau – le temps.
Λ – coefficient de conductivité thermique [W/m*K] – caractérise le taux de transfert de chaleur.
Transfert de chaleur par convection : loi de Newton-Richmann, coefficient de transfert de chaleur et facteurs influençant sa valeur.
Le transfert de chaleur par convection est l'échange d'énergie thermique entre la surface d'un corps solide et son environnement. son environnement. Loi de Newton-Richmann
- une loi empirique qui exprime le flux de chaleur entre différents corps par la pression thermique.
La quantité de chaleur avant la convention est calculée en fonction du niveau de chaleur. Newton-Richmann Q=aF(tst – tl) a – coefficient. transfert de chaleur.
coefficient de transfert thermique - densité de flux thermique avec une différence de température de 1K, mesurée en W/(m²·K).
Ça dépend:
sur le type de liquide de refroidissement et sa température ;
sur la température de pression, le type de convection et le régime d'écoulement ;
sur l'état de la surface et le sens de l'écoulement ;
de la géométrie du corps.Types d'équations critères de transfert de chaleur par convection. Signification physique des critères de similarité, Nu, Concernant, Gr..
Pr Nu = αl/λ Nu = f(Re1 * Pr) - Critère de Nusselt
(coefficient de transfert thermique sans dimension), caractérise l'échange thermique entre la surface de la paroi et le liquide (gaz) ;
Mange : Nu = f(Gr1*Pr) → Nu = C(Gr*Pr)^n Ex : Nu = C * Re^n * Pr^m * (Przh/ Pr st) Re = w·l/v, w – m/s, v – kinet. Viscosité, m/s, l – caractéristique de la différence - Critère de Reynolds , caractérise la relation entre les forces d'inertie et de viscosité et détermine la nature de l'écoulement du liquide (gaz) ; Gr = gl 3 /ν 2 * β(tst – tl) ; β= 1/T - Critère de Grashof (convection naturelle) , caractérise la force de levage qui se produit dans un liquide (gaz) en raison d'une différence de densité ; Pr = (Mcp)/λ ; M – dynamique de viscosité ; Mer - capacité thermique - Critère de Prandtl
l – définition de la taille (longueur, hauteur, diamètre).
La première loi de la thermodynamique est la loi de conservation de l'énergie appliquée aux processus thermodynamiques : l'énergie ne disparaît nulle part et ne surgit pas de rien, mais passe seulement d'un type à l'autre en quantités équivalentes. Un exemple serait le transfert de chaleur (énergie thermique) en énergie mécanique, et vice versa.
Si une certaine quantité de chaleur dQ est ajoutée à M kg de gaz occupant un volume V (m 3) à une température T à pression constante, alors la température du gaz augmentera de dT et le volume de dV. Une augmentation de la température est associée à une augmentation de l'énergie cinétique du mouvement moléculaire dK.
Une augmentation de volume s'accompagne d'une augmentation de la distance entre les molécules et, par conséquent, d'une diminution de l'énergie potentielle dH d'interaction entre elles. De plus, en augmentant son volume, le gaz travaille dA pour vaincre les forces extérieures.
Si, en plus de ceux indiqués, aucun autre processus ne se produit dans le fluide de travail, alors, sur la base de la loi de conservation de l'énergie, nous pouvons écrire :
dQ = dK + dH + dA.
La somme dK + dH représente la variation de l'énergie interne dU des molécules du système suite à l'apport de chaleur.
Alors la formule de conservation de l’énergie pour un processus thermodynamique peut s’écrire :
dQ = dU + dA ou dQ = dU + pdV.
Cette équation est une expression mathématique première loi de la thermodynamique: la quantité de chaleur dQ fournie au système de gaz est dépensée pour modifier son énergie interne dU et effectuer un travail externe dA.
Classiquement, on considère que lorsque dQ > 0, la chaleur est transférée au fluide de travail et lorsque dQ< 0 теплота отнимается от тела. При dA >0 le système fonctionne (le gaz se dilate), et à dA< 0 работа совершается над системой (газ сжимается) .
Pour un gaz parfait, entre les molécules dont il n'y a pas d'interaction, la variation de l'énergie interne dU est entièrement déterminée par la variation de l'énergie cinétique de mouvement (c'est-à-dire augmenter la vitesse des molécules), et le changement de volume caractérise le travail du gaz pour vaincre les forces extérieures.
La première loi de la thermodynamique a une autre formulation : l'énergie d'un système thermodynamique isolé reste inchangée quels que soient les processus qui s'y produisent.
Il est impossible de construire une machine à mouvement perpétuel du premier type, c'est-à-dire une machine fonctionnant périodiquement et qui fonctionnerait sans dépenser d'énergie.
Deuxième loi de la thermodynamique
La première loi de la thermodynamique décrit les relations quantitatives entre les paramètres d'un système thermodynamique qui ont lieu dans les processus de conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique et vice versa, mais n'établit pas les conditions dans lesquelles ces processus sont possibles. Ces conditions nécessaires à la transformation d'un type d'énergie en un autre sont révélées par la deuxième loi de la thermodynamique.
Il existe plusieurs formulations de cette loi, et chacune d'elles a le même contenu sémantique. Voici les formulations les plus fréquemment citées de la deuxième loi de la thermodynamique.
1. Pour convertir la chaleur en travail mécanique, il est nécessaire de disposer d'une source de chaleur et d'un réfrigérateur dont la température est inférieure à la température de la source, c'est-à-dire qu'une différence de température est nécessaire.
2. Il est impossible de mettre en œuvre un moteur thermique dont le seul résultat serait la transformation de la chaleur d’un corps quelconque en travail sans qu’une partie de cette chaleur ne soit transférée à d’autres corps.
De cette formulation, nous pouvons conclure qu'il est impossible de construire une machine à mouvement perpétuel qui fonctionne grâce à une seule source de chaleur, car aucune source de chaleur, même la plus colossale, sous la forme d'un corps matériel, n'est capable de fournir plus de chaleur. énergie thermique que l'enthalpie le permet (partie de l'énergie totale d'un corps qui peut être convertie en chaleur en refroidissant le corps jusqu'à la température zéro absolue).
3. La chaleur ne peut pas, par elle-même, passer d'un corps moins chauffé à un corps plus chauffé sans dépense de travail extérieur.
Comme vous pouvez le constater, la deuxième loi de la thermodynamique n'est pas basée sur un contenu formel, mais décrit uniquement les conditions dans lesquelles certains phénomènes et processus thermodynamiques sont possibles, confirmant en fait la loi générale de conservation de l'énergie.
La troisième loi, ou troisième loi de la thermodynamique, est également appelée principe de Nernst.
La deuxième loi de la thermodynamique nous permet de déterminer non pas la valeur de l'entropie elle-même, mais seulement son évolution :
dS = δQ/T .
Mais la valeur absolue de l’entropie peut être calculée à l’aide de la troisième loi de la thermodynamique. Il faut rappeler que cette loi ne peut s'appliquer qu'aux états d'équilibre d'un système thermodynamique.
La troisième loi de la thermodynamique est formulée ainsi : « L'augmentation de l'entropie à température nulle absolue tend vers une limite finie, indépendante de l'état d'équilibre dans lequel se trouve le système.».
où x est n'importe quel paramètre thermodynamique du système (pression, volume, etc.).
Théorème de Nernst
Walter Hermann Nernst
En 1906, le chimiste allemand Walter Hermann Nernst a publié sa formulation de la troisième loi de la thermodynamique, appelée théorème de Nernst. Il a affirmé que l'entropie d'un corps chimiquement homogène à une température égale au zéro absolu est également nulle.
Entropie de tout système thermodynamique à l'équilibre à T = 0 noté comme S 0 . Les scientifiques ont convenu que lorsque T = 0 S 0 est également zéro.
D'après le théorème de Nernst " lorsque la température tend vers le zéro absolu (T → 0), l'entropie de tout système thermodynamique à l'équilibre tend vers une certaine limite finie S 0, indépendante des paramètres d'état (pression, volume, etc.) du système, et peut être prise égal à zéro" Cette formulation n'est pas la seule. Il y en a plusieurs. Mais le sens de chacun d’eux est le même : « l'entropie de tout corps à température nulle absolue est également nulle».
On pense que si un système thermodynamique passe d'un état à un autre à une température proche du zéro absolu, alors l'entropie ne change pas.
La définition de Planck
Max Planck
En 1911, le physicien théoricien allemand Max Planck donne sa définition de la troisième loi de la thermodynamique : « Comme la température tend vers le zéro absolu, l’entropie de tous les corps tend également vers zéro. »
Dans la formule de Planck, l'entropie est calculée par probabilité thermodynamique W .
S = k lnW
À température nulle absolue, le système thermodynamique est dans un état mécanique quantique, qui peut être décrit par un seul microétat. Dans ce cas W = 1. S 0 = k · ln1=0 .
Ainsi, l’entropie d’un système thermodynamique est égale à zéro à T = 0 . Prenons cet état comme état initial. Nous pouvons désormais calculer l’entropie en n’importe quel autre point du système thermodynamique. Parce que S0 = 0 , alors l'entropie en tout autre point du système sera égale à sa valeur absolue.
Pour refroidir un système thermodynamique jusqu'au zéro absolu, la chaleur doit être évacuée et la température du système réduite. La chaleur est évacuée à la suite d’un processus isotherme et la température diminue de manière adiabatique. Ces processus doivent donc être alternés. Mais si la chaleur est supprimée, l’entropie change. D'après le théorème de Nernst, l'entropie change avec T → 0 cela n'arrive pas. Il est donc impossible d’atteindre le zéro absolu. Vous ne pouvez que vous rapprocher de lui.
Le théorème de Nernst ne peut être prouvé mathématiquement, mais sa validité a été confirmée par de nombreuses expériences.
Dans la continuité de notre cours « La physique pour les nuls », nous commencerons à considérer les bases d'une section aussi importante que thermodynamique.
Le développement actif de la thermodynamique a commencé au XIXe siècle. C'est alors que les gens ont commencé à construire les premières machines à vapeur, puis à les introduire activement dans la production. La révolution industrielle a commencé et, naturellement, tout le monde voulait augmenter l’efficacité des machines pour produire plus de produits, voyager plus loin et, au final, gagner plus d’argent. Tout cela a très bien stimulé le développement de la science et vice versa. Mais rentrons dans le vif du sujet.
La thermodynamique est une branche de la physique qui étudie les systèmes macroscopiques, leurs propriétés les plus générales, les méthodes de transfert et de transformation de l'énergie dans ces systèmes.
Que sont les systèmes macroscopiques ? Ce sont des systèmes constitués d’un très grand nombre de particules. Par exemple, une bouteille de gaz ou un ballon. Il est tout simplement impossible de décrire de tels systèmes à l'aide de méthodes mécaniques classiques. Après tout, nous ne pouvons pas mesurer individuellement la vitesse, l'énergie et d'autres paramètres de chaque molécule de gaz. Néanmoins, le comportement de l’ensemble de la population de particules est soumis à des lois statistiques. En fait, tout objet visible à nous (à l’œil nu) peut être défini comme un système thermodynamique.
- un système physique macroscopique réellement ou mentalement distingué, constitué d'un grand nombre de particules, qui ne nécessite pas l'utilisation de caractéristiques microscopiques de particules individuelles pour sa description. Ainsi, pour décrire un système thermodynamique, on utilise des paramètres macroscopiques qui ne sont pas liés à chaque particule, mais décrivent le système dans son ensemble. Ce température, pression, volume, masse du système et ainsi de suite.
Il est important de noter que les systèmes thermodynamiques peuvent être fermé Et ouvrir. Un système fermé est un système protégé de l’environnement à l’aide d’une coque réelle ou imaginaire, tandis que le nombre de particules dans le système reste constant.
Le système peut être dans différents états. Par exemple, nous avons pris une bouteille de gaz et avons commencé à la chauffer. Ainsi, nous avons modifié l'énergie des molécules de gaz, elles ont commencé à se déplacer plus rapidement et le système est passé à un nouvel état avec une température plus élevée. Mais que se passe-t-il si le système reste seul ? Puis, après un certain temps, le système reviendra à l'état équilibre thermodynamique.
Qu'est-ce que ça veut dire?
L'équilibre thermodynamique est un état d'un système dans lequel ses paramètres macroscopiques (température, volume, etc.) restent inchangés dans le temps.
La thermodynamique repose sur trois piliers. Il existe trois postulats de base ou trois lois de la thermodynamique. On les appelle respectivement première, deuxième et troisième lois de la thermodynamique. Considérons la première loi ou la première loi de la thermodynamique.
Première loi de la thermodynamique
La première loi de la thermodynamique stipule :
Dans tout système isolé, l’approvisionnement en énergie reste constant.
À propos, ce postulat a plusieurs formulations plus équivalentes. Listons-les ci-dessous :
La quantité de chaleur reçue par le système sert à modifier l'énergie interne du système, ainsi qu'à effectuer un travail contre les forces externes.
Une machine à mouvement perpétuel du premier type (un moteur qui fonctionne sans dépenser d’énergie) est impossible.
Écrivons également l'expression mathématique de la première loi de la thermodynamique :
Ici, Q est la quantité de chaleur, delta U est la variation de l'énergie interne, A est le travail contre les forces externes. Pour différents processus thermodynamiques, en raison de leurs caractéristiques, l'enregistrement de la première loi sera différent.
Pourquoi une machine à mouvement perpétuel du premier type est-elle impossible ?
Depuis l’Antiquité, les gens sont attirés par les cadeaux de Sa Majesté. Une pierre philosophale qui transforme n'importe quel métal en or, une nappe auto-assemblée avec laquelle vous n'avez pas besoin de cuisiner, un génie qui réalise tous vos souhaits. Une autre idée de ce type était l’idée d’une machine à mouvement perpétuel.
Une machine à mouvement perpétuel est impossible parce que c’est ainsi que le monde fonctionne. Les lois de la thermodynamique nous le disent. Selon la première loi de la thermodynamique, la quantité de chaleur reçue par le système sert à modifier l’énergie interne du système, ainsi qu’à lutter contre les forces externes. Par exemple, un gaz placé dans un cylindre avec un piston, recevant une certaine quantité de chaleur, augmente son énergie interne, les molécules se déplacent plus vite, le gaz occupe un volume plus important et pousse le piston (travail contre les forces extérieures). En d'autres termes, si le travail est effectué sans apport d'énergie externe, il ne peut être fait que grâce à l'énergie interne du système, qui tôt ou tard se tarira, se transformant en un travail parfait, auquel moment tout prendra fin et le Le système atteindra un état d’équilibre thermodynamique. Après tout, l’énergie dans le monde ne va ni ne vient nulle part, sa quantité reste constante et seule sa forme change. Bien sûr, vous avez remarqué que nous parlons de ce qu'on appelle les machines à mouvement perpétuel du premier type (qui peuvent effectuer un travail sans énergie). Nous nous empressons de vous assurer que l'existence d'une machine à mouvement perpétuel du deuxième type est également impossible et s'explique par la deuxième loi de la thermodynamique, dont nous parlerons dans un futur proche.
Nous espérons que votre connaissance de la thermodynamique a été agréable et que vous l'aimerez de tout votre cœur. Si cela ne se produit pas, vous pouvez toujours confier des tâches thermodynamiques à accomplir pendant que vous faites des choses plus agréables.
