« Introduction à la thermodynamique/Introduction » : différence entre les versions

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La thermodynamique se résume en 4 [[w:principe|Principes]] :
 
===*Principe [[w:Premier_principe_de_la_thermodynamique|Premier principezéro de la Thermodynamique]] ===
*Premier principe de la Thermodynamique
Dans un système fermé, il y a conservation d'énergie. Cela revient à dire que si un système (par exemple un gaz contenu dans une bouteille) ne perd pas d'énergie et qu'il n'en gagne pas, son énergie est constante. Ca paraît bête comme ça, mais par définition, un principe est quelque chose d'évident que l'on ne peut pas prouver. Or, on ne sait pas faire de système fermé parfait (le seul vrai système fermé qui soit est l'univers), notre bouteille aura des échanges thermiques par [[w:conduction|conduction]], [[w:convection|convection]] et [[w:rayonnement|rayonnement]] avec l'extérieur, des échanges gazeux par porosité du métal qui la compose, etc... Une extension du premier principe consiste à dire que l'énergie d'un système ouvert (puisque nous avons vu qu'un système fermé n'existe pas) est égale à la somme de son énergie initiale plus l'énergie qu'il a gagné moins l'énergie qu'il a perdue. Notons que, toute mesure de l'énergie d'un système perturbant ce système (par exemple, mesurer la température d'un océan modifie la température de cet océan car en plongeant un thermomètre dans l'océan, il se crée un équilibre thermique entre l'océan et le thermomètre se traduisant par des échanges d'énergie entre ces deux systèmes. Dans ce cas, c'est bien évidemment négligeable et on peut considérer l'influence du thermomètre comme très faible, mais elle n'est théoriquement pas nulle.), il est théoriquement impossible de vérifier ce principe, même si on peut estimer très précisément les influences de la mesure. Ce principe est très évident, mais peut impliquer des raisonnements extrêmement complexes.
*Second principe de la Thermodynamique
 
===[[w:Deuxième_principe_de_la_thermodynamique|Second*Troisième principe de la Thermodynamique]]===
Le second principe de la Thermodynamique décrit l'irréversibilité des phénomènes thermodynamiques. Il quantifie l'[[w:entropie|entropie]] (notée S) qui est une forme de l'[[w:énergie interne|énergie interne]] d'un système dite dégradée. L'entropie d'un système ne peut qu'augmenter (ou être constante). On peut diminuer l'entropie d'un système fermé, mais cela se fera au prix d'une dégradation au moins égale de l'entropie extérieure au système. Pour imager la chose, imaginons un verre rempli d'une dose de pastis pur (sans alcool bien sûr...) et une carafe remplie de 5 doses d'eau. Si on verse l'eau dans le pastis, il va se créer un mélange trouble. Il y a eu augmentation d'entropie entre l'entropie du système "une dose de pastis pur" plus l'entropie du système "5 doses d'eau pure" et l'entropie du système "Une dose de pastis pur plus 5 doses d'eau pure".
Cela se décrit aussi avec la formule suivante :<br />
<math>S(\mbox{une dose de pastis pur} + 5\mbox{ doses d}'\mbox{eau pure}) = S(\mbox{une dose de pastis pur}) + S(5\mbox{ doses d}'\mbox{eau pure}) + \Delta(S) \,</math><br />
Où <math>\Delta(S)\,</math> est l'augmentation d'entropie de notre système eau+pastis.<br />
Sans le second principe de la thermodynamique, rien n'interdit que, si on verse 5 doses de notre mélange eau+pastis dans la carafe, on obtienne 5 doses d'eau pure dans la carafe et une dose de pastis pur restant dans le verre.
 
Une autre interprétation consiste à analyser le sens du transfert énergétique (la thermodynamique étant une science des transferts énergétiques...). Imaginons deux cubes d'acier, l'un chauffé à environ 1000°C et l'autre à 20°C. Si nous les mettons en contact l'un avec l'autre, le second principe de la thermodynamique impose que le sens du transfert thermique résultant de ce contact se fasse du cube chaud vers le cube froid, c'est-à-dire que c'est l'énergie du cube chaud qui va vers le cube froid. sans le second principe, rien n'oblige ce sens et en n'appliquant que les autres principes de la thermodynamique, on pourrait avoir une équation mathématiquement juste décrivant que, suite à leur mise en contact, le cube froid s'est refroidi un peu plus et le cube chaud s'est réchauffé un peu plus, ce qui est intuitivement une aberration. Pour autant, par définition là aussi, on ne peut prouver le second principe de la thermodynamique. On ne peut que l'admettre parce qu'il est évident d'après la vie de tous les jours.
 
Il est intéressant de noter que l'on peut faire une analogie entre l'entropie et l'état de désordre de notre système. Ainsi, l'entropie ne pouvant qu'augmenter, le désordre se répand tout autour de nous. C'est pourquoi on sait que l'univers va à sa perte car au bout d'un temps infini, toute son énergie sera transformée en entropie, donc en désordre et il faudrait trouver un autre système (hors de l'univers) à qui transférer notre désordre si nous voulons continuer avec l'ordre...
 
Le second principe de la thermodynamique est plus abstrait que le premier. Cette notion d'ordre et de désordre est assez difficile à appréhender car on l'utilise surtout au niveau moléculaire, mais ces exemples parlants sont là pour nous rappeler l'évidence même de ce principe.
 
===[[w:Principe_zéro_de_la_thermodynamique|Principe zéro de la Thermodynamique]]===
Si deux systèmes A et B sont en équilibre thermodynamique et si B et C le sont aussi, alors A et C sont en équilibre thermodynamique, cette propriété est appelée '''propriété de transitivité'''.
 
Un système en équilibre thermodynamique est un système dont les propriétés de pression, température, volume, etc... ne varient pas avec le temps. Une tasse de café chaud dans la cuisine n'est pas en équilibre avec son environnement : parce qu'elle refroidit, sa température diminue. Lorsque sa température atteint la température de la pièce, la tasse de café devient en équilibre avec son environnement. Remarquons que l'absence de variation avec le temps de la pression, du volume, etc est nécessaire mais pas suffisante. En effet, une vitre en hiver a tous ses points à température constante au bout d'un moment, mais elle est le siège d'un phénomène de transfert thermique : on ne peut donc pas dire qu'elle est en équilibre.
 
Ce principe nous est lui aussi naturel grâce à l'analogie que l'on peut faire avec un mouvement uniforme (c'est-à-dire sans accélération, analogie ici de la notion d'équilibre) de voitures sur l'autoroute. Si la vitesse entre la voiture verte et la voiture rouge est nulle et si la vitesse entre la voiture rouge et la voiture bleue est nulle aussi, alors, la vitesse entre la voiture verte et la voiture bleue est nulle aussi... Sauf qu'à la différence des vitesses de voitures que l'on peut étudier grâce à la théorie de la relativité, ici, le principe n'est vérifiable qu'expérimentalement et n'est décrit par aucune autre équation permettant de le prouver (même si c'est évident).
 
===[[w:Troisième_principe_de_la_thermodynamique|Troisième principe de la Thermodynamique]]===
La limite du zéro absolu, température qui ne saurait être atteinte, l'entropie d'équilibre d'un système tend vers une constante indépendante des autres paramètres intensifs, constante qui est prise nulle, si possible.
 
Cela donne un sens à une valeur déterminée de l'entropie (et non pas « à une constante additive près » comme nous l'avons vu avec le <math>\Delta(S)\,</math> de la formule décrite dans le second principe).
 
Ce principe est irréductiblement lié à l'indiscernabilité quantique des particules identiques.
 
Aucun corps ne pourraît atteindre une température inférieure au zéro absolu. Cela reviendrait à dire qu'une bouteille est "moins que vide", qu'un corps a une masse négative ou un volume négatif...
 
==Sommaire des leçons proposées==
 
===Transferts thermiques===
* [[Conduction]]
* [[Convection]]
* [[Rayonnement]]
 
===Transformations de base===
* [[Détente adiabatique]]
* [[Détente isentropique]]
 
===Les différents états de la matière===
* [[État solide]]
* [[État liquide]]
* [[État gazeux]]
* [[État super-critique]]
* [[État plasma]]
* [[Condensat de Bose-Enstein]]
 
===Les changements d'état===
* [[Fusion / Solidification]] ou transformation Solide <--> Liquide
* [[Évaporation (ou ébullition) / Condensation (ou liquéfaction)]] ou transformation Liquide <--> Gaz
* [[Sublimation / Condensation solide]] ou transformation Solide <--> Gaz
 
===Les mélanges de matière, Transformations solide <=> Liquide===
* [[Mélanges bi-phasiques]]
* [[Mélanges triphasiques]]
* [[Applications à la métallurgie]]
 
===Les mélanges de matière, Transformations Liquide <=> Gaz===
* [[Mélanges bi-phasiques]]
* [[Mélanges triphasiques]]
* [[Applications à l'air humide]]
 
===Études de cas===
* [[Étude d'une cogénération par turbine à vapeur]]
 
[[Catégorie:Introduction à la thermodynamique]]

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