principes de la thermodynamique

Les principes de Thermodynamique définissent les relations entre toutes les énergies incluses dans un système

Ces énergies sont dites thermodynamiques

PRINCIPE ZÉRO DE LA THERMODYNAMIQUE (celui de l'équilibre)

Si 2 systèmes sont en équilibre avec un 3°, ils sont en équilibre entre eux

Ces équilibres impliquent une température égale

Pour les gaz monoatomiques, la cinétique rappelle que T = m'.v² / 3R*m >>>

la température est égale au rapport: (masse molaire par vitesse moyenne des molécules au carré) sur (3 fois la constante molaire)

 

1° PRINCIPE THERMODYNAMIQUE (celui de conservation de l’énergie)

Dans un système quelconque ouvert, qui échange des énergies avec l’extérieur (sans échange de matière) la variation d'énergie interne est égale à la somme des échanges (travail + chaleur) du système avec l’extérieur (ce que reprend l’adage "rien ne se perd, rien ne se crée")

On traduit cela par une formule de bilan énergétique: ΔU = ΔW + ΔEq  

(U = énergie interne globale, Eq = énergie thermique, W = énergie mécanique -ou travail)

ΔU est par ailleurs constitué d’une somme de diverses énergies internes:

ΔU = ΔEc+ ΔEé+ ΔEp+ Ef+ Eh+ H    où Ec = énergie cinétique interne,

Eé = énergie électromagnétique, Ep = énergie potentielle, Ef = énergie de frottement,

Eh = énergie chimique et H = énergie enthalpique

Les divers éléments de ces équations sont tous des énergies

 

Cas particulier de l’équation ci-dessus pour un système fermé (isolé)

1.le système est adiabatique (il n’échange pas de chaleur avec l’extérieur) donc ΔEq= 0 (car Eq constante) >> les actions intermoléculaires sont nulles

S'il s'agit d'un gaz, il y a alors détente (très rapide) et l’évolution du système est quasi instantanée.C’est alors la loi de Laplace dite des gaz parfaits: (pour compression ou détente adiabatique)   p.Vγ = constante

avec V(m3)= volume occupé par le gaz

p (Pa)= pression

γ (l'exposant) = coefficient de Laplace (ou coefficient adiabatique) = rapport Cp/ Cv

(il dépend de la température à travers les C (capacités thermiques à Cp à pression et Cv à volume constants) >>> ces capacités sont des fonctions d’état, puisque dépendant des variables d'état du système (p, T et leurs compositions)

2.le système est adiabatique et isobare (température et pression constante), l’enthalpie H est minimale (peu de changements d'états)

3.le système est isotherme (température T constante) >>> d'où ΔT = 0  

La transformation est infiniment lente

Comme il n’y a pas d’échange avec l’extérieur (système fermé) c’est la loi de Joule qui s'applique, démontrant que ΔEh ne dépend que de la température

-l'énergie libre (F), dite de Helmholtz (qui est la partie F = -S.T – p.V) est minimale à l’équilibre

 

2° PRINCIPE THERMODYNAMIQUE (celui de l'évolution entropique, de Carnot-Clausius)

L’entropie S(c’est à dire le degré de désordre) d’un système isolé ne peut diminuer d'où

ΔS > 0 (voir chapitre Entropie)

Autre énoncé du 2° Principe: un système ayant un Etat donné, ne passe jamais spontanément vers un autre état moins probable.

Il n’apparaît pas spontanément de réordonnancement, ni de travail dans le système, malgré la présence d’énergie sous la forme de chaleur (la chaleur est considérée comme "dégénérée", puisqu’incapable de se convertir totalement en une autre forme utilisable d’énergie)

Nota: si le système n'est plus isolé, la récupération de travail devient possible (ex : système ditherme, avec 2 sources de chaleur)

 

3° PRINCIPE THERMODYNAMIQUE (celui de la température minimale)

La température minimale des phénomènes thermiques est le zéro absolu

(où il n’y a plus d’énergie interne)

L'entropie est définie alors comme nulle. On en déduit une échelle d’entropies (allant de 0 à quelques centaines d'unités S.I.+), bien sûr plus fortes pour les gaz que pour les solides, car ces derniers sont plus homogènes et plus structurés.

 

4° PRINCIPE THERMODYNAMIQUE (celui de la température maximale)

La température maximale des phénomènes thermiques (# 1012degrés K) est celle où la densité volumique d'énergie d'une particule est celle du  maximum d’émission radiative