Un aperçu de la thermodynamique

La physique de la chaleur

Une barre de fer, effilée à son extrémité, rayonnante de la chaleur.

Une barre de métal chauffée. Dave King/Getty Images





La thermodynamique est la domaine de la physique qui traite de la relation entre Chauffer et d'autres propriétés (telles que pression , densité ,Température, etc.) dans une substance.

Plus précisément, la thermodynamique se concentre en grande partie sur la façon dont un transfert de chaleur est lié à divers changements d'énergie au sein d'un système physique subissant un processus thermodynamique. De tels processus aboutissent généralement à travailler fait par le système et sont guidés par le lois de la thermodynamique .



Concepts de base du transfert de chaleur

D'une manière générale, la chaleur d'un matériau est comprise comme une représentation de l'énergie contenue dans les particules de ce matériau. Ceci est connu comme le théorie cinétique des gaz , bien que le concept s'applique également à des degrés divers aux solides et aux liquides. La chaleur dégagée par le mouvement de ces particules peut être transférée aux particules voisines, et donc à d'autres parties du matériau ou à d'autres matériaux, par divers moyens :

  • Contact thermique c'est quand deux substances peuvent affecter la température de l'autre.
  • Équilibre thermique c'est lorsque deux substances en contact thermique ne transfèrent plus de chaleur.
  • Dilatation thermique se produit lorsqu'une substance se dilate en volume à mesure qu'elle gagne en chaleur. La contraction thermique existe également.
  • Conduction c'est quand la chaleur traverse un solide chauffé.
  • Convection se produit lorsque des particules chauffées transfèrent de la chaleur à une autre substance, comme la cuisson de quelque chose dans de l'eau bouillante.
  • Radiation c'est lorsque la chaleur est transférée par des ondes électromagnétiques, comme celles du soleil.
  • Isolation c'est lorsqu'un matériau peu conducteur est utilisé pour empêcher le transfert de chaleur.

Processus thermodynamiques

Un système subit une processus thermodynamique lorsqu'il y a une sorte de changement énergétique dans le système, généralement associé à des changements de pression, de volume, d'énergie interne (c'est-à-dire de température) ou à tout type de transfert de chaleur.



Il existe plusieurs types spécifiques de processus thermodynamiques qui ont des propriétés particulières :

États de la matière

Un état de la matière est une description du type de structure physique qu'une substance matérielle manifeste, avec des propriétés qui décrivent comment le matériau tient ensemble (ou non). Ils sont cinq États de la matière , bien que seuls les trois premiers d'entre eux soient généralement inclus dans notre façon de penser les états de la matière :

De nombreuses substances peuvent faire la transition entre les phases gazeuse, liquide et solide de la matière, tandis que seules quelques rares substances sont connues pour pouvoir entrer dans un état superfluide. Le plasma est un état distinct de la matière, comme la foudre

  • condensation - gaz à liquide
  • congélation - liquide à solide
  • fusion - solide à liquide
  • sublimation - solide à gaz
  • vaporisation - liquide ou solide en gaz

Capacité thermique

La capacité calorifique, C , d'un objet est le rapport de changement de chaleur (changement d'énergie, Δ Q , où le symbole grec Delta, Δ, désigne un changement de quantité) à un changement de température (Δ J ).



C =D Q / D J

La capacité calorifique d'une substance indique la facilité avec laquelle une substance se réchauffe. UN bon conducteur thermique aurait un faible capacité calorifique , indiquant qu'une petite quantité d'énergie provoque un grand changement de température. Un bon isolant thermique aurait une grande capacité thermique, ce qui indique qu'un transfert d'énergie important est nécessaire pour un changement de température.

Équations des gaz parfaits

Il y a plusieurs équations des gaz parfaits qui relient la température ( J 1), pression ( P 1), et le volume ( DANS 1). Ces valeurs après un changement thermodynamique sont indiquées par ( J deux), ( P deux), et ( DANS deux). Pour une quantité donnée d'une substance, n (mesurée en moles), les relations suivantes sont valables :



La loi de Boyle ( J est constant) :
P 1 DANS 1= P deux DANS deux
Charles/Gay-Lussac Law ( P est constant) :
DANS 1/ J 1= DANS deux/ J deux
Loi des gaz parfaits :
P 1 DANS 1/ J 1= P deux DANS deux/ J deux= n

R est le constante des gaz parfaits , R = 8,3145 J/mol*K. Pour une quantité de matière donnée, donc, n est constante, ce qui donne la loi des gaz parfaits.

Lois de la thermodynamique

  • Loi zéro de la thermodynamique - Deux systèmes chacun en équilibre thermique avec un troisième système sont en équilibre thermique l'un par rapport à l'autre.
  • Première loi de la thermodynamique - La variation de l'énergie d'un système est la quantité d'énergie ajoutée au système moins l'énergie dépensée pour le travail.
  • Deuxième loi de la thermodynamique - Il est impossible qu'un processus ait pour seul résultat le transfert de chaleur d'un corps plus froid à un plus chaud.
  • Troisième loi de la thermodynamique - Il est impossible de réduire un système au zéro absolu en une série finie d'opérations. Cela signifie qu'un moteur thermique parfaitement efficace ne peut pas être créé.

La deuxième loi et l'entropie

La deuxième loi de la thermodynamique peut être reformulée pour parler de entropie , qui est une mesure quantitative du désordre dans un système. Le changement de chaleur divisé par la température absolue est le changement d'entropie du processus. Ainsi définie, la deuxième loi peut être reformulée comme suit :



Dans tout système fermé, l'entropie du système restera constante ou augmentera.

Par ' systeme ferme ' cela signifie que tous une partie du processus est incluse lors du calcul de l'entropie du système.

En savoir plus sur la thermodynamique

À certains égards, traiter la thermodynamique comme une discipline distincte de la physique est trompeur. La thermodynamique touche pratiquement tous les domaines de la physique, de l'astrophysique à la biophysique, car ils traitent tous d'une manière ou d'une autre du changement d'énergie dans un système. Sans la capacité d'un système à utiliser l'énergie au sein du système pour effectuer un travail - le cœur de la thermodynamique - il n'y aurait rien à étudier pour les physiciens.



Cela dit, certains domaines utilisent la thermodynamique en passant pour étudier d'autres phénomènes, alors qu'il existe un large éventail de domaines qui se concentrent fortement sur les situations thermodynamiques impliquées. Voici quelques-uns des sous-domaines de la thermodynamique :

    Cryophysique / Cryogénie / Physique des basses températures- l'Etude de propriétés physiques dans des situations de basse température, bien en deçà des températures rencontrées même dans les régions les plus froides de la Terre. L'étude des superfluides en est un exemple. Dynamique des fluides / Mécanique des fluides- l'étude des propriétés physiques des « fluides », précisément définis ici comme liquides et gaz. Physique des hautes pressions- la étude de la physique dans les systèmes à très haute pression, généralement liés à la dynamique des fluides. Météorologie / Physique météorologique- la physique du temps, les systèmes de pression dans l'atmosphère, etc. Physique des plasmas- l'étude de la matière à l'état de plasma.