Qu’est-ce que la thermodynamique?

La thermodynamique est la branche de la physique qui traite des relations entre la chaleur et les autres formes d’énergie. En particulier, elle décrit comment l’énergie thermique est convertie en et à partir d’autres formes d’énergie et comment elle affecte la matière.

L’énergie thermique est l’énergie qu’une substance ou un système possède en raison de sa température, c’est-à-dire l’énergie des molécules en mouvement ou en vibration, selon le site Web d’éducation à l’énergie de l’Agence d’éducation du Texas. La thermodynamique consiste à mesurer cette énergie, ce qui peut être « extrêmement compliqué », selon David McKee, professeur de physique à la Missouri Southern State University. « Les systèmes que nous étudions en thermodynamique (…) sont constitués d’un très grand nombre d’atomes ou de molécules qui interagissent de manière compliquée. Mais, si ces systèmes répondent aux bons critères, que nous appelons équilibre, ils peuvent être décrits avec un très petit nombre de mesures ou de chiffres. Souvent, ces mesures sont idéalisées sous la forme de la masse du système, de la pression du système et du volume du système, ou d’un autre ensemble équivalent de chiffres. Trois nombres décrivent 1026 ou 1030 variables indépendantes nominales. »

Chaleur

La thermodynamique s’intéresse donc à plusieurs propriétés de la matière ; la première d’entre elles est la chaleur. La chaleur est l’énergie transférée entre des substances ou des systèmes en raison d’une différence de température entre eux, selon Energy Education. En tant que forme d’énergie, la chaleur est conservée, c’est-à-dire qu’elle ne peut être ni créée ni détruite. Elle peut toutefois être transférée d’un endroit à un autre. La chaleur peut également être convertie en et à partir d’autres formes d’énergie. Par exemple, une turbine à vapeur peut convertir la chaleur en énergie cinétique pour faire fonctionner un générateur qui convertit l’énergie cinétique en énergie électrique. Une ampoule électrique peut convertir cette énergie électrique en rayonnement électromagnétique (lumière) qui, lorsqu’il est absorbé par une surface, est reconverti en chaleur.

Température

La quantité de chaleur transférée par une substance dépend de la vitesse et du nombre d’atomes ou de molécules en mouvement, selon Energy Education. Plus les atomes ou les molécules se déplacent rapidement, plus la température est élevée, et plus il y a d’atomes ou de molécules en mouvement, plus la quantité de chaleur qu’ils transfèrent est importante.

La température est « une mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules dans un échantillon de matière, exprimée en termes d’unités ou de degrés désignés sur une échelle standard », selon l’American Heritage Dictionary. L’échelle de température la plus couramment utilisée est l’échelle Celsius, qui est basée sur les points de congélation et d’ébullition de l’eau, attribuant des valeurs respectives de 0 degré C et 100 degrés C. L’échelle Fahrenheit est également basée sur les points de congélation et d’ébullition de l’eau qui ont attribué des valeurs de 32 F et 212 F, respectivement.

Les scientifiques du monde entier utilisent cependant l’échelle Kelvin (K sans signe de degré), nommée d’après William Thomson, 1er baron Kelvin, car elle fonctionne dans les calculs. Cette échelle utilise le même incrément que l’échelle Celsius, c’est-à-dire qu’un changement de température de 1 C est égal à 1 K. Cependant, l’échelle Kelvin commence au zéro absolu, la température à laquelle il y a une absence totale d’énergie thermique et où tout mouvement moléculaire s’arrête. Une température de 0 K est égale à moins 459,67 F ou moins 273,15 C.

Chaleur spécifique

La quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d’une certaine masse d’une substance d’une certaine quantité est appelée chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique, selon Wolfram Research. L’unité conventionnelle pour cela est la calorie par gramme par kelvin. La calorie est définie comme la quantité d’énergie thermique nécessaire pour élever d’un degré la température d’un gramme d’eau à 4 C.

La chaleur spécifique d’un métal dépend presque entièrement du nombre d’atomes de l’échantillon, et non de sa masse. Par exemple, un kilogramme d’aluminium peut absorber environ sept fois plus de chaleur qu’un kilogramme de plomb. Cependant, les atomes de plomb ne peuvent absorber qu’environ 8 % de chaleur en plus qu’un nombre égal d’atomes d’aluminium. Une masse donnée d’eau, en revanche, peut absorber près de cinq fois plus de chaleur qu’une masse égale d’aluminium. La chaleur spécifique d’un gaz est plus complexe et dépend du fait qu’elle soit mesurée à pression constante ou à volume constant.

Conductivité thermique

La conductivité thermique (k) est  » la vitesse à laquelle la chaleur passe à travers un matériau spécifié, exprimée comme la quantité de chaleur qui s’écoule par unité de temps à travers une surface unitaire avec un gradient de température d’un degré par unité de distance « , selon le dictionnaire Oxford. L’unité de k est le watt (W) par mètre (m) par kelvin (K). Les valeurs de k pour les métaux tels que le cuivre et l’argent sont relativement élevées, soit 401 et 428 W/m-K, respectivement. Cette propriété rend ces matériaux utiles pour les radiateurs des voitures et les ailettes de refroidissement des puces d’ordinateur, car ils peuvent évacuer rapidement la chaleur et l’échanger avec l’environnement. La valeur la plus élevée de k pour toute substance naturelle est le diamant, à 2 200 W/m-K.

D’autres matériaux sont utiles car ils sont d’extrêmement mauvais conducteurs de chaleur ; cette propriété est appelée résistance thermique, ou valeur R, qui décrit la vitesse à laquelle la chaleur est transmise à travers le matériau. Ces matériaux, tels que la laine de roche, le duvet d’oie et le polystyrène, sont utilisés pour l’isolation des murs extérieurs des bâtiments, les manteaux d’hiver et les tasses à café thermiques. La valeur R est donnée en unités de pieds carrés fois degrés Fahrenheit fois heures par unité thermique britannique (ft2-°F-h/Btu) pour une dalle de 1 pouce d’épaisseur.

La loi du refroidissement de Newton

En 1701, Sir Isaac Newton a énoncé pour la première fois sa loi du refroidissement dans un court article intitulé « Scala graduum Caloris » (« Une échelle des degrés de chaleur ») dans les Transactions philosophiques de la Royal Society. L’énoncé de la loi par Newton se traduit du latin original par « l’excès des degrés de chaleur … sont en progression géométrique quand les temps sont en progression arithmétique ». L’Institut polytechnique de Worcester donne une version plus moderne de la loi comme « le taux de changement de température est proportionnel à la différence entre la température de l’objet et celle du milieu environnant. »

Il en résulte une décroissance exponentielle de la différence de température. Par exemple, si un objet chaud est placé dans un bain froid, dans un certain laps de temps, la différence entre leurs températures diminuera de moitié. Puis, dans ce même laps de temps, la différence restante diminuera à nouveau de moitié. Cette réduction répétée de moitié de la différence de température se poursuivra à intervalles de temps égaux jusqu’à ce qu’elle devienne trop faible pour être mesurée.

Transfert de chaleur

La chaleur peut être transférée d’un corps à un autre ou entre un corps et l’environnement par trois moyens différents : la conduction, la convection et le rayonnement. La conduction est le transfert d’énergie à travers un matériau solide. La conduction entre les corps se produit lorsqu’ils sont en contact direct, et les molécules transfèrent leur énergie à travers l’interface.

La convection est le transfert de chaleur vers ou depuis un milieu fluide. Les molécules d’un gaz ou d’un liquide en contact avec un corps solide transmettent ou absorbent la chaleur vers ou depuis ce corps, puis s’éloignent, permettant à d’autres molécules de se mettre en place et de répéter le processus. L’efficacité peut être améliorée en augmentant la surface à chauffer ou à refroidir, comme avec un radiateur, et en forçant le fluide à se déplacer sur la surface, comme avec un ventilateur.

Le rayonnement est l’émission d’énergie électromagnétique (EM), en particulier de photons infrarouges porteurs d’énergie thermique. Toute matière émet et absorbe un certain rayonnement EM, dont la quantité nette détermine si cela entraîne une perte ou un gain de chaleur.

Le cycle de Carnot

En 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot propose un modèle de moteur thermique basé sur ce qui est devenu le cycle de Carnot. Le cycle exploite les relations entre la pression, le volume et la température des gaz et la façon dont un apport d’énergie peut changer de forme et effectuer un travail à l’extérieur du système.

La compression d’un gaz augmente sa température de sorte qu’il devient plus chaud que son environnement. La chaleur peut alors être retirée du gaz chaud à l’aide d’un échangeur de chaleur. Ensuite, le fait de le laisser se dilater entraîne son refroidissement. C’est le principe de base des pompes à chaleur utilisées pour le chauffage, la climatisation et la réfrigération.

A l’inverse, chauffer un gaz augmente sa pression, ce qui entraîne son expansion. Cette pression expansive peut alors être utilisée pour actionner un piston, convertissant ainsi l’énergie thermique en énergie cinétique. C’est le principe de base des moteurs thermiques.

Entropie

Tous les systèmes thermodynamiques génèrent de la chaleur perdue. Ces déchets entraînent une augmentation de l’entropie, qui, pour un système fermé, est « une mesure quantitative de la quantité d’énergie thermique non disponible pour effectuer un travail », selon l’American Heritage Dictionary. Dans tout système fermé, l’entropie augmente toujours ; elle ne diminue jamais. De plus, les pièces mobiles produisent de la chaleur perdue en raison de la friction, et la chaleur radiative fuit inévitablement du système.

Ce qui rend impossible les machines dites à mouvement perpétuel. Siabal Mitra, professeur de physique à l’université d’État du Missouri, explique : « Vous ne pouvez pas construire un moteur qui soit efficace à 100 %, ce qui signifie que vous ne pouvez pas construire une machine à mouvement perpétuel. Cependant, il y a beaucoup de gens qui n’y croient toujours pas, et il y a des gens qui essaient toujours de construire des machines à mouvement perpétuel. »

L’entropie est également définie comme « une mesure du désordre ou du caractère aléatoire dans un système fermé », qui augmente aussi inexorablement. Vous pouvez mélanger de l’eau chaude et de l’eau froide, mais comme une grande tasse d’eau chaude est plus désordonnée que deux petites tasses contenant de l’eau chaude et de l’eau froide, vous ne pourrez jamais la séparer à nouveau en chaud et froid sans ajouter de l’énergie au système. En d’autres termes, vous ne pouvez pas démêler un œuf ou retirer la crème de votre café. Si certains processus semblent être totalement réversibles, aucun ne l’est en réalité. L’entropie nous fournit donc une flèche du temps : l’avant est la direction de l’entropie croissante.

Les quatre lois de la thermodynamique

Les principes fondamentaux de la thermodynamique étaient initialement exprimés en trois lois. Plus tard, il a été déterminé qu’une loi plus fondamentale avait été négligée, apparemment parce qu’elle avait semblé si évidente qu’elle n’avait pas besoin d’être énoncée explicitement. Pour former un ensemble complet de règles, les scientifiques ont décidé que cette loi la plus fondamentale devait être incluse. Le problème, cependant, était que les trois premières lois avaient déjà été établies et étaient bien connues par les numéros qui leur étaient attribués. Confronté à la perspective de renuméroter les lois existantes, ce qui entraînerait une confusion considérable, ou de placer la loi prééminente à la fin de la liste, ce qui n’aurait aucun sens logique, un physicien britannique, Ralph H. Fowler, a proposé une alternative qui a résolu le dilemme : il a appelé la nouvelle loi la « loi zéro ». En bref, ces lois sont :

La loi Zeroth stipule que si deux corps sont en équilibre thermique avec un certain troisième corps, alors ils sont également en équilibre l’un avec l’autre. Cela établit la température comme une propriété fondamentale et mesurable de la matière.

La première loi stipule que l’augmentation totale de l’énergie d’un système est égale à l’augmentation de l’énergie thermique plus le travail effectué sur le système. Cela indique que la chaleur est une forme d’énergie et qu’elle est donc soumise au principe de conservation.

La deuxième loi indique que l’énergie thermique ne peut pas être transférée d’un corps à une température inférieure à un corps à une température supérieure sans ajout d’énergie. C’est pourquoi le fonctionnement d’un climatiseur coûte cher.

La troisième loi stipule que l’entropie d’un cristal pur au zéro absolu est nulle. Comme expliqué plus haut, l’entropie est parfois appelée  » énergie perdue « , c’est-à-dire l’énergie qui ne peut pas faire de travail, et puisqu’il n’y a pas d’énergie thermique quelconque au zéro absolu, il ne peut y avoir d’énergie perdue. L’entropie est également une mesure du désordre dans un système et, bien qu’un cristal parfait soit par définition parfaitement ordonné, toute valeur positive de la température signifie qu’il y a du mouvement dans le cristal, ce qui entraîne un désordre. Pour ces raisons, il ne peut y avoir de système physique avec une entropie plus faible, donc l’entropie a toujours une valeur positive.

La science de la thermodynamique a été développée au cours des siècles, et ses principes s’appliquent à presque tous les appareils jamais inventés. Son importance dans la technologie moderne ne peut être surestimée.

Ressources supplémentaires

• Certains des plus grands esprits de l’histoire des sciences ont contribué au développement de la thermodynamique. Une liste de pionniers notables dans ce domaine est disponible sur le site de l’Université de Waterloo.
• L’éducation à l’énergie est un complément de programme interactif pour les étudiants en sciences du secondaire.
• Le Monde de la science d’Eric Weisstein contient des encyclopédies d’astronomie, de biographie scientifique, de chimie et de physique.

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