Chapitre 2 : Les Lois de la Thermodynamique

Première loi de la thermodynamique (principe de conservation de l'énergie)

La première loi de la thermodynamique, aussi appelée principe de conservation de l'énergie, stipule que l'énergie totale d'un système isolé reste constante. Elle peut être exprimée par la relation suivante :

$\Delta U = Q - W$

• $\Delta U$ : variation de l'énergie interne du système.
• $Q$ : chaleur échangée avec le système (positive si le système reçoit de la chaleur, négative s'il en perd).
• $W$ : travail effectué par le système (positif si le système effectue un travail sur l'extérieur, négatif si le travail est effectué sur le système).

Travail et chaleur

Travail (W) : Le travail est une forme d'énergie qui est transférée lorsqu'une force est appliquée sur un objet et le déplace. En thermodynamique, le travail effectué par un gaz en expansion ou compression est donné par :

$W=\int PdV$

• $P$ : pression.
• $dV$ : variation de volume.

Chaleur (Q) : La chaleur est une forme d'énergie transférée entre des systèmes ou des objets en raison d'une différence de température. La chaleur peut être transférée de différentes manières, notamment par conduction, convection et rayonnement.

Énergie interne

L'énergie interne ($U$) d'un système est la somme de toutes les formes d'énergie contenues dans le système, y compris l'énergie cinétique et potentielle des particules. C'est une fonction d'état, ce qui signifie qu'elle dépend uniquement de l'état actuel du système et non de la manière dont cet état a été atteint.

Deuxième loi de la thermodynamique (entropie)

La deuxième loi de la thermodynamique introduit le concept d'entropie ($S$) et stipule que pour tout processus spontané, l'entropie totale d'un système isolé augmente toujours. Cette loi peut être exprimée de plusieurs manières, dont les suivantes :

• Principe de Clausius : La chaleur ne peut pas spontanément passer d'un corps froid à un corps chaud.
• Principe de Kelvin-Planck : Il est impossible de réaliser une transformation dont le seul résultat serait de convertir entièrement de la chaleur en travail.

L'entropie est une mesure du désordre ou de l'aléa dans un système. Une augmentation de l'entropie correspond à une augmentation du désordre.

Processus réversibles et irréversibles

• Processus réversibles : Ce sont des processus idéaux qui peuvent être inversés sans laisser de changement permanent dans le système et l'environnement. Ils se déroulent de manière infiniment lente et maintiennent le système en équilibre thermodynamique tout au long du processus.
• Processus irréversibles : Ce sont des processus réels qui ne peuvent pas être inversés sans laisser de changement permanent dans le système ou l'environnement. Ils se déroulent rapidement et impliquent souvent des gradients de température et de pression significatifs.

Cycle de Carnot

Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique idéal qui sert de référence pour l'efficacité des machines thermiques. Il comprend quatre étapes :

1. Expansion isotherme : Le gaz se dilate à température constante, absorbant de la chaleur ($Q_{in}$) d'une source chaude.
2. Expansion adiabatique : Le gaz continue à se dilater sans échange de chaleur, sa température baisse.
3. Compression isotherme : Le gaz est compressé à température constante, rejetant de la chaleur ($Q_{out}$) vers une source froide.
4. Compression adiabatique : Le gaz continue à se comprimer sans échange de chaleur, sa température augmente.

L'efficacité ($\eta$) d'un cycle de Carnot est donnée par :

$\eta = 1 - \frac{T_{froid}}{T_{chaud}}$

• $T_{chaud}$ : température de la source chaude.
• $T_{froid}$ : température de la source froide.

Troisième loi de la thermodynamique

La troisième loi de la thermodynamique, également connue sous le nom de principe de Nernst, stipule que lorsque la température d'un système approche le zéro absolu (0 Kelvin), l'entropie du système approche une valeur minimale constante. Cette loi implique que le zéro absolu est inatteignable par un nombre fini de transformations.

En résumé, les trois lois de la thermodynamique établissent les principes fondamentaux de l'énergie et de l'entropie, définissant les limites de la conversion de l'énergie et la direction des processus thermodynamiques. Elles fournissent une base solide pour comprendre et analyser les systèmes thermodynamiques.

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