Définition
Thermodynamique
La thermodynamique est une branche de la physique qui étudie les échanges d'énergie et les transformations de la matière, en particulier sous forme de chaleur et de travail.
Système thermodynamique
Un système thermodynamique est une partie de l'univers que l'on considère pour l'étude des échanges d'énergie. Il existe différents types de systèmes : ouverts, fermés, et isolés.
Enthalpie
L'enthalpie est une mesure de l'énergie totale d'un système, incluant les énergies interne et de pression-volume. Elle est souvent utilisée pour les réactions chimiques à pression constante.
Entropie
L'entropie est une mesure du désordre ou de l'incertitude d'un système. Elle est liée à la direction spontanée des processus thermodynamiques.
La thermodynamique repose sur quatre lois fondamentales :
- La zeroth law : Si deux systèmes sont chacun en équilibre thermique avec un troisième, alors ils sont en équilibre thermique entre eux. Cette loi permet de définir la température.
- La première loi (Principe de conservation de l'énergie) : L'énergie totale d'un système isolé est constante. Cette loi peut s'écrire sous la forme d'une équation : ΔU = Q - W, où ΔU est la variation d'énergie interne, Q est la chaleur échangée, et W est le travail effectué.
- La deuxième loi : Dans un système isolé, les processus naturels tendent à accroître l'entropie. Cela signifie que l'énergie se disperse toujours avec le temps et que les machines thermiques ne peuvent pas être totalement efficientes.
- La troisième loi : À mesure que la température d'un système approche le zéro absolu, l'entropie des systèmes parfaits tend vers une constante minimale.
Les processus thermodynamiques sont des changements d'état qui se produisent à l'intérieur d'un système. Ils peuvent être classés en plusieurs catégories :
- Processus isothermes : À température constante. Durant ce processus, toute chaleur échangée est utilisée pour effectuer un travail.
- Processus adiabatiques : Sans échange de chaleur avec l'extérieur. Le travail effectué résulte en des changements de température.
- Processus isobares : À pression constante. Dans ce type de processus, la chaleur ajoutée au système augmente l'enthropie et peut provoquer un changement de volume.
- Processus isochoriques : À volume constant. Tout travail effectué est égal à la chaleur échangée, et donc la variation d'énergie interne est directement liée à la chaleur.
La thermodynamique a des applications variées, notamment :
- Ingénierie : Conception et optimisation de moteurs, chaudières, et réfrigérateurs grâce à la compréhension des principes thermodynamiques.
- Chimie : Étude des énergies de réaction et des équilibres thermodynamiques qui influencent la vitesse et les rendements des réactions chimiques.
- Biologie : Analyse des processus biologiques au niveau cellulaire, où la gestion de l'énergie est cruciale pour la survie.
- Météorologie : Modélisation des systèmes atmosphériques pour prédire le temps, basé sur les échanges thermiques.
