As-tu déjà pensé au fait que nous ressentons la chaleur du soleil bien qu'il se trouve à près de 100 millions de kilomètres dans le vide spatial ? Et comment la climatisation de ta maison extrait la chaleur de l'air en ne consommant que de l'électricité ? Ces processus relèvent tous deux de la thermodynamique, qui est un domaine de la physique faisant intervenir les propriétés physiques comme la température, le volume et la pression, et permet notamment d'étudier les gaz.
La thermodynamique étudie comment l'énergie est échangée par transfert de chaleur et de travail entre des substances d'un système qui peuvent éventuellement avoir différentes températures. Cette étude est traduite par un développement théorique d'équations, appelé formulaire thermodynamique ; et par plusieurs applications cruciales au domaine industriel. Tandis que la loi des gaz parfaits propose un modèle simple du comportement des gaz, reliant leur volume, leur pression et leur température. Cet article présente les différents sujets couverts par la thermodynamique, chacun d'entre eux pouvant être étudié plus en détail dans les sous-articles correspondants.
Température, volume et pression
La température, le volume et la pression sont des propriétés physiques des objets. Ces propriétés sont étroitement liées les unes aux autres, bien que les différents états de la matière offrent un large éventail de combinaisons possibles de ces grandeurs. Les matériaux solides se dilatent légèrement (augmentant leur volume) lorsque leur température augmente, et se contractent lorsqu'elle diminue. C'est ce que l'on appelle la dilatation thermique. Cette dernière est en général négligeable, mais sur les grandes structures telles que les ponts, des sections mobiles spéciales doivent être incluses pour permettre à la structure de se dilater ou de se contracter.
Figure 1. Une section de dilatation thermique dans un pont. Lorsque les sections du pont en béton chauffent et refroidissent, elles se dilatent et se contractent. La section de dilatation permet au béton de se déplacer sans s'étirer ou se comprimer, ce qui réduit les risques de dommages causés par les contraintes. Wikimedia Commons.
En ce qui concerne les liquides, différentes substances se comportent de différentes manières. L'eau liquide ne change pas de volume ni de pression lorsque sa température change (à moins qu'elle atteigne son point de congélation ou d'ébullition), tandis que le mercure liquide se dilate considérablement lorsqu'il est chauffé.
Dans des conditions non extrêmes, les gaz se comportent de manière prévisible, de sorte que la relation entre la température, le volume et la pression est définie par la loi des gaz parfaits. Pour un volume fixe de gaz, une baisse de la pression entraîne une baisse proportionnelle de la température, tandis qu'une augmentation de la pression entraîne une augmentation proportionnelle de la température. La loi des gaz parfaits est étudiée plus en détail par la suite.
Température
La température d'une substance est proportionnelle à l'énergie cinétique (moyenne) des molécules/atomes qui la composent. On parle également d'agitation thermique. Dans un système comprenant deux objets, l'objet le plus chaud a une température plus élevée et donc, une énergie cinétique moyenne plus importante.
Après avoir défini ce qu'est la température, il nous faut un moyen de la mesurer. Et pour comparer les températures de différents objets, il faut une échelle. Une échelle de température est définie par deux points fixes à des températures spécifiques, avec un certain nombre de graduations entre eux.
Il existe trois principales échelles de température utilisées dans le monde aujourd'hui :
Celsius
- Cette échelle de température proposée par l'astronome suédois Anders Celsius en 1742 est utilisée par la plupart des pays du monde.
- Les points fixes utilisés par l'échelle Celsius sont le point de fusion (0° C) et le point d'ébullition (100° C) de l'eau, avec 100 graduations de 1° C entre les deux.
Fahrenheit
- L'échelle Fahrenheit proposée par le physicien allemand Daniel Fahrenheit au 18ᵉ siècle est principalement utilisée aux États-Unis.
- L'échelle est également basée sur les points d'ébullition et de fusion de l'eau, sauf que ceux-ci représentent 32° F (congélation) et 212° F (ébullition), avec 180 graduations entre les deux.
Kelvin (température absolue)
- L'échelle de température absolue utilise les points fixes du point triple de l'eau (273,16 K) et du zéro absolu (0 K). Ces points ont été choisis, car ce sont des températures spécifiques qui ne varient pas avec la pression atmosphérique, contrairement aux points utilisés pour les échelles Celsius et Fahrenheit.
- Lors de la définition de l'échelle Kelvin, il a été décidé que chaque graduation devait être égal à 1° C afin de simplifier les conversions. C'est pourquoi il y a exactement 273,16° C entre les deux points fixes.
- Le Kelvin est l'unité de la température dans le système international (SI). Pour faire la conversion entre les températures en Celsius TC et en Kelvin TK, on peut se servir de la formule TK = TC + 273,16.
- Les températures dans l'échelle Kelvin sont toujours positives.
Le point triple de l'eau (ou d'autres substances) est la température et la pression auxquelles les trois phases de la matière (solide, liquide et gaz) peuvent coexister. Les différentes phases sont alors en équilibre thermique, sans transfert de chaleur entre elles. Pour l'eau pure, le point triple est de 0,01° C et 611,2 Pa.
Volume
Le volume d'un objet définit l'espace tridimensionnel qu'il occupe. Pour mieux comprendre cela, commençons par imaginer l'espace que prend un objet dans une dimension. Il s'agit d'une longueur, ce qui est mesurable par une règle. En deux dimensions, l'espace occupé par un objet est une surface et est défini par son aire, qui nécessite la mesure de deux longueurs. Enfin, en trois dimensions, l'espace requis est donné par le volume, défini par trois mesures de longueur.
Figure 2. La longueur est une mesure de l'espace occupé par un objet dans une dimension, l'aire est une mesure de l'espace occupé dans deux dimensions et le volume est une mesure de l'espace occupé dans trois dimensions
Le volume est mesuré en \(m^3\) dans le système international (SI) d'unités.
Pression
La pression d'une substance est une mesure de la quantité de force produite à la surface limite de l'objet. On l'obtient en divisant la force F (en newtons) par la surface A (en mètres carrés) sur laquelle elle agit.
La pression est mesurée en pascals (Pa) dans le SI, ce qui correspond à des \(N/m^2\).
Les gaz parfaits
Nous pouvons décrire les propriétés macroscopiques, telles que la masse, la température et la pression des gaz, assez facilement. Cependant, pour comprendre pleinement le comportement des gaz, nous devons également savoir ce qui se passe à l'échelle des atomes et des molécules.
Pour ce faire, la théorie cinétique des gaz a été inventée. Elle nécessite de faire plusieurs hypothèses simplificatrices afin qu'un gaz ait le comportement décrit par la loi des gaz parfaits :
- Le gaz contient de nombreux atomes/molécules se déplaçant de manière aléatoire à des vitesses aléatoires.
- Le volume occupé par les atomes ou les molécules est négligeable par rapport au volume du gaz.
- Les collisions entre atomes/molécules peuvent être considérées comme instantanées.
- Les forces électrostatiques entre les atomes/molécules sont négligeables, sauf pendant les collisions.
- Toutes les collisions entre les atomes/molécules et la limite du récipient sont parfaitement élastiques (aucune énergie cinétique n'est perdue).
Un gaz parfait est une substance théorique où les molécules qui la composent occupent un espace négligeable et n'interagissent pas entre elles, sauf éventuellement lors de collisions très brèves. Ce modèle est valable lorsque la pression du gaz est suffisamment faible. Le gaz obéit alors à la loi des gaz parfaits.
Écrivons la loi des gaz parfaits, qui est une équation d'état reliant la température, le volume et la pression : \[PV=nRT\]
Ici :
- P est la pression en pascals (Pa) ;
- V est le volume en mètres cubes (\(m^3\)) ;
- n est la quantité de matière du gaz en moles (mol) ;
- R est la constante des gaz parfaits ;
- T est la température en Kelvin (K).
La loi des gaz parfaits fournit une bonne approximation du comportement des gaz à des températures et des pressions non extrêmes.
Énergie thermique
Maintenant que nous savons ce qu'est la température, nous pouvons étudier comment l'énergie thermique (ou chaleur) est échangée entre les objets d'un système. Ce domaine de la physique, appelé thermodynamique, traite des relations entre la chaleur, le travail, la température et l'énergie dans les systèmes.
Chaleur et Température
Alors que la température décrit un état d'une substance, à savoir si elle est plus ou moins chaude ou froide, la chaleur, quant à elle, mesure un transfert d'énergie. Bien sûr, si une substance reçoit de la chaleur, alors sa température aura tendance à augmenter. Et inversement, si la substance cède de la chaleur, sa température diminue. Mais ces deux quantités s'expriment avec des unités différentes. On a déjà vu qu'on peut mesurer la température en Kelvins (K) alors que la chaleur est un transfert d'énergie et se mesure donc en Joules (J) comme l'énergie cinétique.
Dans la thermodynamique, nous utilisons souvent ce que l'on appelle une identité thermodynamique pour relier différentes grandeurs thermodynamiques, comme celles que tu as appris là-dessus !
Transferts de Chaleur
Lorsque des substances ayant différentes températures sont en contact, un transfert de chaleur a naturellement lieu entre ces substances jusqu'à ce qu'elles atteignent la même température, c'est-à-dire l'équilibre thermique. Ce transfert de chaleur s'effectue par trois mécanismes principaux : la conduction, la convection et le rayonnement.
Conduction
La conduction est un mécanisme de transfert de chaleur où l'énergie thermique se déplace d'une région à haute température vers une région à plus basse température par transfert de l'énergie cinétique de proche en proche entre les atomes voisins, sans transfert de matière.
La conduction vient du fait que les vibrations des atomes ayant beaucoup d'agitation thermique provoquent des collisions avec les atomes voisins, ce qui transmet progressivement l'énergie cinétique aux atomes avec moins d'énergie.
Différents matériaux transmettent la chaleur à des vitesses différentes. Les métaux sont généralement de bons conducteurs, tandis que les matériaux tels que les plastiques ou les gaz sont généralement de mauvais conducteurs.
Convection
La convection est le transfert d'énergie thermique dû au mouvement physique d'une substance lors de l'écoulement d'un fluide (liquide ou gaz) d'une zone de haute température vers une zone de basse température.
La convection permet un transfert d'énergie thermique grâce au déplacement de matière d'une substance plus chaude. Typiquement, cela est souvent dû à une différence de densité entre les substances les plus chaudes et les plus froides (pensez à la façon dont l'air chaud monte).
Rayonnement
Le rayonnement est une méthode de transfert de chaleur où l'énergie est transportée d'un objet à haute énergie thermique par un rayonnement infrarouge. Cette énergie thermique peut être absorbée par un autre objet que le rayonnement infrarouge atteint.
Le rayonnement infrarouge est un type de rayonnement électromagnétique qui peut voyager dans le vide de l'espace sans avoir besoin de matière physique. C'est très utile, car cela permet à l'énergie du soleil de nous atteindre depuis des millions de kilomètres.
Figure 3. Le rayonnement te permet de ressentir la chaleur de ce feu lorsque tu te tiens à côté de lui. La convection fait monter l'air chaud chauffé par le feu, ce que tu sentirais si tu mettais ta main au-dessus du feu. Si tu décides de toucher l'une des bûches incandescentes, la conduction transfererait rapidement l'énergie thermique de la bûches à ta peau et tu brulerais. Wikimedia Commons.
Les lois de la thermodynamique
Plusieurs des principes clés de la thermodynamique sont définis comme des "lois de la thermodynamique". Dans ce qui suit, nous n'allons pas entrer dans les détails de ces lois, mais nous nous contenterons de les énoncer.
La loi zéro de la thermodynamique
Deux corps à températures différentes, mis en contact thermique, atteindront l'équilibre thermique après un certain temps.
La première loi de la thermodynamique
La variation de l'énergie interne d'un système est égale à la somme de la chaleur et du travail mécanique échangés avec l'extérieur.
La deuxième loi de la thermodynamique
Le transfert de chaleur d'un milieu froid vers un milieu chaud ne peut pas se faire de manière spontanée.
La troisième loi de la thermodynamique
Au zéro absolu de température, l'entropie d'un système thermodynamique est nulle.
Les applications de la thermodynamique
La première et la plus importante application de la thermodynamique s'avère les machines thermiques qui fonctionnent par l'intermédiaire du transfert de chaleur entre deux ou plusieurs sources de chaleur. Les machines thermiques se divisent en plusieurs catégories, chacune ayant son utilité. Parmi ces machines, citons :
- Le moteur thermique visant à utiliser l'énergie thermique pour en fournir un travail mécanique susceptible de générer un mouvement par exemple. C'est tout à fait l'exemple des moteurs des véhicules !
- La pompe à chaleur, visant à fournir de la chaleur utile pour différentes utilisations. Prenons l'exemple du chauffage, qui fournit de la chaleur à la chambre là où tu te trouves !
- Le réfrigérateur, visant à céder de la chaleur à la source froide pour en profiter de la basse température pour conserver tes aliments !
Notes que la thermodynamique a été le déclencheur de la révolution industrielle du XVIIIᵉ siècle qui a introduit les machines et les moteurs pour la première fois dans l'histoire et qui a facilité catégoriquement le travail, qui était trop dur auparavant !
Probablement, cela nous incite à se rappeler d'apprécier les efforts de la science pour le développement continu de l'humanité !
Thermodynamique - Points clés
- La thermodynamique est un domaine de la physique faisant intervenir les propriétés physiques telles que la température, le volume et la pression. Cela comprend également l'étude des transferts d'énergie et la modélisation du comportement des gaz à l'aide de la loi des gaz parfaits.
- La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des molécules constituant une substance. Elle est mesurée en kelvins dans le SI.
- Le volume est une mesure de l'espace tridimensionnel occupé par un objet. On le mesuré en mètres cubes dans le SI.
- La pression est une mesure de la force exercée par une substance sur la surface avec laquelle est est en contact. Elle est mesurée en Pascals (unités SI), soit en Newtons par mètre carré.
- La théorie cinétique des gaz fait plusieurs hypothèses pour simplifier le modèle d'un gaz réel en un gaz qui suit la loi des gaz parfaits. L'équation d'état d'un gaz parfait fournit une bonne approximation du comportement des gaz à des températures et pressions suffisamment faibles.
- Il existe trois principaux mécanismes de transfert de chaleur : la conduction, où l'énergie thermique est transférée à travers une substance sans déplacement physique de la matière ; la convection, où l'écoulement d'un fluide transporte l'énergie thermique ; et le rayonnement, où l'énergie thermique est transmise à travers l'espace sous forme d'onde infrarouge.
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