Explorez les trois lois de la thermodynamique

La branche de la science appelée thermodynamique traite des systèmes capables de transférer l'énérgie thermique dans au moins une autre forme d'énergie (mécanique, électrique, etc.) ou dans le travail. Les lois de la thermodynamique ont été développées au fil des ans comme certaines des règles les plus fondamentales qui sont suivies lorsqu'un système thermodynamique va à travers une sorte de changement d'énergie.

L'histoire de la thermodynamique commence avec Otto von Guericke qui, en 1650, a construit la première pompe à vide du monde et a démontré un vide en utilisant ses hémisphères de Magdebourg. Guericke a été poussé à faire un vide pour réfuter la supposition de longue date d'Aristote selon laquelle «la nature abhorre le vide». Peu de temps après Guericke, le physicien et chimiste anglais Robert Boyle avait appris les conceptions de Guericke et, en 1656, en coordination avec le scientifique anglais Robert Hooke, a construit une pompe à air. En utilisant cette pompe, Boyle et Hooke ont remarqué une corrélation entre la pression, la température et le volume. Avec le temps, la loi de Boyle a été formulée, qui stipule que la pression et le volume sont inversement proportionnels.

le lois de la thermodynamique ont tendance à être assez faciles à énoncer et à comprendre... à tel point qu'il est facile de sous-estimer leur impact. Entre autres, ils imposent des contraintes sur la façon dont l'énergie peut être utilisée dans l'univers. Il serait très difficile de trop insister sur l'importance de ce concept. Les conséquences des lois de la thermodynamique touchent à presque tous les aspects de la recherche scientifique d'une manière ou d'une autre.

Pour comprendre les lois de la thermodynamique, il est essentiel de comprendre certains autres concepts thermodynamiques qui s'y rapportent.

• Aperçu de la thermodynamique - un aperçu des principes de base du domaine de la thermodynamique
• Énergie thermique - une définition de base de l'énergie thermique
• Température - une définition de base de la température
• Introduction au transfert de chaleur - une explication des différentes méthodes de transfert de chaleur.
• Processus thermodynamiques - les lois de la thermodynamique s'appliquent principalement aux processus thermodynamiques, lorsqu'un système thermodynamique passe par une sorte de transfert d'énergie.

L'étude de la chaleur en tant que forme d'énergie distincte a commencé vers 1798 lorsque Sir Benjamin Thompson (également connu sous le nom de Le comte Rumford), un ingénieur militaire britannique, a remarqué que la chaleur pouvait être générée proportionnellement à la quantité de travail terminé... un concept fondamental qui deviendrait finalement une conséquence de la première loi de la thermodynamique.

Le physicien français Sadi Carnot a formulé pour la première fois un principe de base de la thermodynamique en 1824. Les principes que Carnot a utilisés pour définir son Cycle de Carnot moteur thermique se traduirait finalement par la deuxième loi de la thermodynamique par le physicien allemand Rudolf Clausius, qui est également fréquemment crédité de la formulation de la première loi de thermodynamique.

Une partie de la raison du développement rapide de la thermodynamique au XIXe siècle était la nécessité de développer des moteurs à vapeur efficaces pendant la révolution industrielle.

Les lois de la thermodynamique ne se préoccupent pas particulièrement du comment et du pourquoi spécifiques de transfert de chaleur, ce qui est logique pour les lois qui ont été formulées avant que la théorie atomique ne soit pleinement adoptée. Ils traitent de la somme totale des transitions d'énergie et de chaleur au sein d'un système et ne prennent pas en compte la nature spécifique du transfert de chaleur au niveau atomique ou moléculaire.

Cette loi zéro est une sorte de propriété transitive de l'équilibre thermique. La propriété transitive des mathématiques dit que si A = B et B = C, alors A = C. Il en va de même pour les systèmes thermodynamiques qui sont en équilibre thermique.

L'une des conséquences de la loi zéro est l'idée que la mesure Température a une quelconque signification. Afin de mesurer la température, équilibre thermique doit être atteint entre le thermomètre dans son ensemble, le mercure à l'intérieur du thermomètre et la substance à mesurer. Ceci, à son tour, permet de déterminer avec précision la température de la substance.

Cette loi a été comprise sans être explicitement énoncée à travers une grande partie de l'histoire de la thermodynamique étude, et on ne s'est rendu compte que c'était une loi à part entière qu'au début du 20 siècle. C'était le physicien britannique Ralph H. Fowler qui a inventé pour la première fois le terme «loi zéro», basé sur la conviction qu'il était même plus fondamental que les autres lois.

Bien que cela puisse sembler complexe, c'est vraiment une idée très simple. Si vous ajoutez de la chaleur à un système, il n'y a que deux choses qui peuvent être faites - changer la énergie interne du système ou faire fonctionner le système (ou, bien sûr, une combinaison des deux). Toute l'énergie thermique doit être utilisée pour faire ces choses.

Les physiciens utilisent généralement des conventions uniformes pour représenter les quantités dans la première loi de la thermodynamique. Elles sont:

• U1 (ou Ui) = énergie interne initiale au début du processus
• U2 (ou Uf) = énergie interne finale à la fin du processus
• delta-U = U2 - U1 = changement d'énergie interne (utilisé dans les cas où les spécificités des énergies internes de début et de fin ne sont pas pertinentes)
• Q = chaleur transférée dans (Q > 0) ou hors de (Q <0) le système
• W = travail effectuée par le système (W > 0) ou sur le système (W < 0).

Cela donne une représentation mathématique de la première loi qui se révèle très utile et peut être réécrite de deux manières utiles:

L'analyse d'un processus thermodynamique, au moins dans une salle de classe de physique, implique généralement d'analyser une situation où l'une de ces quantités est soit 0, soit au moins contrôlable de manière raisonnable. Par exemple, dans un processus adiabatique, le transfert de chaleur (Q) est égal à 0 dans un processus isochore l'oeuvre (W) est égal à 0.

le première loi de la thermodynamique est considérée par beaucoup comme le fondement du concept de conservation de l'énergie. Il dit essentiellement que l'énergie qui entre dans un système ne peut pas être perdue en cours de route, mais doit être utilisée pour faire quelque chose... dans ce cas, modifiez l'énergie interne ou effectuez un travail.

Dans cette optique, la première loi de la thermodynamique est l'un des concepts scientifiques les plus ambitieux jamais découverts.

Deuxième loi de la thermodynamique: La deuxième loi de la thermodynamique est formulée de plusieurs façons, comme nous le verrons sous peu, mais est fondamentalement une loi qui - contrairement à la plupart des autres lois de la physique - ne traite pas de la façon de faire quelque chose, mais traite entièrement de la restriction de ce qui peut être terminé.

C'est une loi qui dit que la nature nous empêche d'obtenir certains types de résultats sans y mettre beaucoup de travail, et en tant que telle est également étroitement liée à la concept de la conservation de l'énergie, tout comme la première loi de la thermodynamique est.

Dans les applications pratiques, cette loi signifie que tout moteur thermique ou un dispositif similaire basé sur les principes de la thermodynamique ne peut, même en théorie, être efficace à 100%.

Ce principe a d'abord été éclairé par le physicien et ingénieur français Sadi Carnot, alors qu'il développait son Cycle de Carnot moteur en 1824, et a ensuite été officialisé comme loi de la thermodynamique par le physicien allemand Rudolf Clausius.

La deuxième loi de la thermodynamique est peut-être la plus populaire en dehors du domaine de la physique car elle est étroitement liée au concept de entropie ou le trouble créé au cours d'un processus thermodynamique. Reformulée comme une déclaration concernant l'entropie, la deuxième loi se lit comme suit:

Dans tout système fermé, en d'autres termes, chaque fois qu'un système passe par un processus thermodynamique, le système ne peut jamais revenir complètement exactement dans le même état qu'il était auparavant. Il s'agit d'une définition utilisée pour le flèche du temps puisque l'entropie de l'univers augmentera toujours avec le temps selon la deuxième loi de la thermodynamique.

Une transformation cyclique dont le seul résultat final est de transformer en chaleur la chaleur extraite d'une source qui est à la même température est impossible. - Le physicien écossais William Thompson (Une transformation cyclique dont le seul résultat final est de transférer la chaleur d'un corps à une température donnée à un corps à une température plus élevée est impossible. - Le physicien allemand Rudolf Clausius

Toutes les formulations ci-dessus de la deuxième loi de la thermodynamique sont des déclarations équivalentes du même principe fondamental.

La troisième loi de la thermodynamique est essentiellement une déclaration sur la capacité de créer un absolu échelle de température, pour laquelle zéro absolu est le point auquel l'énergie interne d'un solide est précisément 0.

Diverses sources montrent les trois formulations potentielles suivantes de la troisième loi de la thermodynamique:

1. Il est impossible de réduire un système à zéro absolu dans une série finie d'opérations.
2. L'entropie d'un cristal parfait d'un élément dans sa forme la plus stable tend vers zéro lorsque la température approche du zéro absolu.
3. Lorsque la température approche du zéro absolu, l'entropie d'un système approche d'une constante

La troisième loi signifie plusieurs choses, et encore une fois toutes ces formulations aboutissent au même résultat en fonction de la quantité que vous prenez en compte:

La formulation 3 contient le moins de contraintes, indiquant simplement que l'entropie va à une constante. En fait, cette constante est une entropie nulle (comme indiqué dans la formulation 2). Cependant, en raison des contraintes quantiques sur tout système physique, il s'effondrera dans son état quantique le plus bas mais ne pourra jamais réduire parfaitement à 0 entropie, il est donc impossible de réduire un système physique à zéro absolu en un nombre fini d'étapes (ce qui nous donne la formulation 1).