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sujet: Les principes de la thermodynamique

présentations des principes 0, 1, 2, 3 de la thermodynamique
définition des grandeurs intervenant dans ces principes
explications et illustrations simples

auteurs:

Francois xavier
guillaume
hervé

introduction (?)[modifier | modifier le code]

« La thermodynamique est un sujet curieux. La première fois qu’on l’aborde, on ne le comprend pas du tout. La deuxième fois, on pense qu’on le comprend, sauf l’un ou l’autre point. La troisième fois, on sait qu’on ne le comprend pas, mais à ce stade on y est tellement habitué qu’on ne s’en préoccupe plus. »

Arnold Sommerfeld (bibliographie en annexe)

[1]

               Les débuts

Créée par Carnot et Clausius au début du 19ième siècle, la thermodynamique était au départ l'explication physique du comportement des machines à vapeur, extrayant de l'énergie motrice de la chaleur, d'où le nom de thermodynamique, associant thermique et dynamique. Rapidement, la thermodynamique est devenue la science des passages d'une forme d'énergie en une autre : dans une résistance électrique, par exemple, l'énergie électrique est transformée en chaleur ; dans une ampoule, cette même énergie électrique est transformée en lumière et en chaleur ; on peut produire de l'énergie électrique à partir de l'énergie éolienne, de l'énergie solaire, de l'énergie chimique dans les piles, de l'énergie nucléaire…L'énergie, elle, se conserve : c'est le premier principe de la thermodynamique, mis en évidence expérimentalement par le brasseur Joule dans sa célèbre expérience effectuée dans la cave de la brasserie : par un système de poulies, la descente d'un poids fait tourner des ailettes dans un calorimètre plein d'eau, et le frottement des ailettes sur l'eau chauffe celle-ci ; après avoir remonté le poids plusieurs centaines de fois (!), il note l'élévation de température et en tire l'équivalence numérique entre le travail fourni et la chaleur reçue : le travail fourni est le produit du poids par la hauteur de chute cumulée et il faut 4,18 joules de travail pour élever la température d'un gramme d'eau de 1°C, soit une calorie de chaleur. On ne peut donc pas créer d'energie, on ne peut que la transférer d'une forme sous une autre.

Principe zéro de la thermodynamique (guillaume)[modifier | modifier le code]

Appelé aussi "principe de l'équilibre thermique", il est défini par le fait que si deux systèmes thermodynamiques 1 et 2 sont en équilibre thermodynamique avec un troisième 3, ils sont eux-mêmes en équilibre thermodynamique (il s'agit d'une assertion dans le langage de la théorie de la démonstration).

Donc si deux corps en contact sont en équilibre thermique, ils ont la même température. Deux corps à même température en contact sont en équilibre thermique.

Premier principe de la thermodynamique (hervé)[modifier | modifier le code]

Le premier principe traduit la conservation de l'énergie.

« Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé, la variation de son énergie est égale à la quantité d'énergie échangée avec le milieu extérieur, sous forme de chaleur et sous forme de travail. »

La formule: $\Delta U=Q+W\,$

dU représente la variation d énergie interne du système, Q est une petite quantité de chaleur apportée au système et W est une petite quantité de travail reçue par le système.

L'intérêt de ce principe est la construction de machines thermiques qui auront pour but de transformer la chaleur en travail (machine à vapeur, moteur, etc.) ou bien de transformer le travail en chaleur (pompe à chaleur, réfrigérateur, climatiseur, etc.).

Deuxième principe de la thermodynamique (fx)[modifier | modifier le code]

Le Second Principe (appelé en France Principe de S. Carnot) établit l'irréversibilité des phénomènes physiques, en particulier lors des échanges thermiques. Il est né, au début de l’ère industrielle entre 1810 et 1860 des réflexions menées sur le fonctionnement des machines thermiques.

L’expérience montre que certaines transformations qui satisferaient le Premier Principe ne se produisent pas, par exemple,

l’énergie thermique se transfère spontanément du corps chaud vers le corps froid,
lors du freinage d’une voiture la température des freins s’élèvent; de l’énergie cinétique a été transférée sous forme thermique au système de freinage; par contre, il n’est pas possible de mettre en marche une voiture en prenant de l’énergie thermique aux freins,

Le second principe introduit la fonction d'état entropie : S, usuellement assimilée à la notion de désordre qui ne peut que croître au cours d'une transformation réelle.

Énoncé de la loi

« Toute transformation d'un système thermodynamique s'effectue avec augmentation de l'entropie globale incluant l'entropie du système et du milieu extérieur. On dit alors qu'il y a création d'entropie. »

La fonction d'état entropie : $S$ , a été considérée comme une mesure du désordre.

\Delta S_{\mathrm {global} }=S_{\mathrm {cr{\acute {e}}ation} }=\Delta S_{\mathrm {syst} }+\Delta S_{\mathrm {ext} }\geq 0~

Dans le cas d'une transformation réversible, la création d'entropie est nulle.

Troisième principe de la thermodynamique[modifier | modifier le code]

grandeurs (gg)[modifier | modifier le code]

Grandeurs d'état les plus utilisées en thermodynamique :

- La température (T) exprimée en degré kelvin.
- La pression (P) qui est une force par unité d'aire. La pression s'exprime en pascal (1 Pa = 1 N/m²) mais on utilise souvent le bar par commodité (1 bar = 100 000 Pa).Une pression de 2 bars signifie que le gaz applique une force de 200 000 newton par mètre carré.
- Le volume (V) qui se mesure en mètre cube.
- L'énergie interne (U) qui représente l'ensemble des énergies microscopiques d'un système et se mesure en J/kg. L'énergie interne correspond à la somme des énergies dues à l'agitation thermique des particules et aux liaisons entre les nucléons, les atomes et les molécules.

*- L'enthalpie (H) qui est une fonction pratique en génie thermique car lorsque qu'une transformation a lieu à pression constante, la variation de l'enthalpie exprime la quantité de chaleur échangée. L'enthalpie se mesure en J/kg et est définit par H = U+P*V.

- L'entropie (S) qui représente en quelque sorte le « désordre microscopique» d'un système et se mesure en J/K-kg. On reviendra un peu plus tard sur la notion d'entropie.

Les grandeurs thermodynamiques qui ne SONT PAS des variables d'états (qui dépendent du chemin suivit) sont les suivantes :

- Le travail (W) qui se mesure en Watt et représente une énergie mécanique par seconde.
- La chaleur (Q) qui se mesure également en Watt et qui représente une énergie thermique par seconde.

explications et illustrations[modifier | modifier le code]

conclusion[modifier | modifier le code]

Annexe[modifier | modifier le code]

Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld (5 décembre 1868 – 26 avril 1951), physicien théoricien allemand, né à Königsberg (aujourd'hui Kaliningrad, en Russie). Biographie

Il étudia les mathématiques et les sciences naturelles à l'université de Königsberg où il reçut son doctorat en 1891. Il occupa successivement les chaires de mathématiques à Clausthal (1897), de mathématiques appliquées à Aix-la-Chapelle (1900) et de physique théorique à Munich (1906-1931). En 1897, il commença, avec C. F. Klein, un traité en quatre volumes sur le gyroscope, qu'il mit treize ans à terminer et, à la même époque, fit également des recherches dans d'autres domaines de physique appliquée et d'ingénierie, comme la friction, la lubrification et la radio. Il joua un rôle important lors des premiers développements de la théorie quantique. Il poussa plus loin la théorie atomique proposée par Niels Bohr afin de décrire de façon quantitative la structure fine des lignes spectrales de l'hydrogène, et appliqua la mécanique ondulatoire et les statistiques de Fermi pour étudier le comportement des électrons dans les métaux. Son livre intitulé Structure atomique et lignes spectrales (1919) devint par la suite un des classiques de ce domaine. Parmi ses élèves, figurèrent Peter Debye, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg et Walter Rogowski. Il mourut en 1951 des suites d'un accident de circulation

Liens externes[modifier | modifier le code]

article Principes de la thermodynamique[modifier | modifier le code]

Les principes de la thermodynamique sont les principales lois (principes en fait, car non démontrées) qui régissent la thermodynamique :

Premier principe de la thermodynamique: Principe de conservation de l'énergie; introduction de la fonction énergie interne, U.
Deuxième principe de la thermodynamique: Principe d'évolution; création d'entropie, S.
Troisième principe de la thermodynamique ou principe de Nernst: L'entropie d'un corps pur est nulle à T = 0 K.

On parle aussi du Principe zéro de la thermodynamique et on évoque quelques fois la théorie d'Onsager comme le Quatrième principe de la thermodynamique.