Chapitre V : Second Principe de la Thermodynamique
I. Insuffisances du Premier Principe:
Le premier principe de la thermodynamique, ou principe de conservation de l'énergie, nous informe que l'énergie totale d'un système isolé reste constante. Toutefois, il ne donne aucune indication sur la direction des processus thermodynamiques, c'est-à-dire s'ils sont spontanés ou non. Il ne permet pas non plus de déterminer l'efficacité des machines thermiques. C'est là que le second principe de la thermodynamique intervient, en apportant des concepts tels que l'entropie et en définissant les limites de la conversion d'énergie.
II. Énoncés du Second Principe:
II.1. Énoncé de Lord Kelvin:
Lord Kelvin a formulé le second principe de la thermodynamique en affirmant que :"Il est impossible de construire un dispositif qui, opérant en cycle, ne produise aucun autre effet que de convertir entièrement de la chaleur en travail."
Cela signifie qu'il est impossible d'avoir une machine thermique avec un rendement de 100%, car il doit toujours y avoir une partie de la chaleur absorbée qui est rejetée sous forme de chaleur résiduelle.
II.2. Énoncé de Clausius:
Rudolf Clausius a proposé un autre énoncé du second principe, stipulant que :
"Il est impossible de réaliser un processus dont le seul résultat serait de transférer de la chaleur d'un corps plus froid à un corps plus chaud."
Cet énoncé met en évidence que le transfert spontané de chaleur se produit toujours dans la direction de la température décroissante, à moins que du travail ne soit fourni pour inverser ce processus (comme dans un réfrigérateur).
II.3. Énoncé de Carnot:
Sadi Carnot a formulé une base théorique pour les machines thermiques en définissant un cycle idéal, maintenant connu sous le nom de cycle de Carnot. Il a énoncé que :"Aucune machine thermique opérant entre deux sources de chaleur ne peut être plus efficace qu'une machine de Carnot opérant entre ces mêmes sources."
Le cycle de Carnot est un modèle idéal qui définit le rendement maximal qu'une machine thermique peut atteindre en fonction de la température des sources de chaleur.
III. Cycles Thermodynamiques:
III.1. Cycle Ditherme:
Un cycle ditherme est un cycle thermodynamique qui échange de la chaleur avec deux sources thermiques à des températures différentes. Un exemple typique est le cycle de Carnot. Ces cycles sont importants pour comprendre le fonctionnement des machines thermiques réelles et les limites imposées par le second principe de la thermodynamique.
III.2. Cycle de Carnot:
Le cycle de Carnot se compose de quatre étapes réversibles :
- Expansion isotherme : Le gaz se dilate à température constante , absorbant de la chaleur de la source chaude.
- Expansion adiabatique : Le gaz continue de se dilater sans échange de chaleur, et sa température baisse jusqu'à
- Compression isotherme : Le gaz est compressé à température constante , rejetant de la chaleur à la source froide.
- Compression adiabatique : Le gaz est encore compressé sans échange de chaleur, et sa température augmente jusqu'à .
Le rendement du cycle de Carnot est donné par :
III.3. Égalité de Clausius-Carnot:
L'égalité de Clausius-Carnot stipule que pour toute machine réversible opérant entre deux sources de chaleur à température et :
Cela signifie que pour un cycle réversible, la somme des entropies échangées avec les sources est nulle.
III.4. Cycle Ditherme Irréversible : Inégalités de Clausius:
Pour un cycle thermodynamique irréversible, l'inégalité de Clausius s'applique :
Cela signifie que pour un processus irréversible, la somme des entropies échangées avec les sources est négative, ce qui reflète la génération d'entropie due aux irréversibilités internes du système.
Conclusion
Le second principe de la thermodynamique enrichit notre compréhension des processus thermodynamiques en introduisant des concepts essentiels tels que l'entropie et les limites de l'efficacité des machines thermiques. Les différents énoncés de ce principe (Kelvin, Clausius, et Carnot) mettent en évidence les contraintes imposées par la nature sur la conversion d'énergie et la direction des transferts de chaleur. Les cycles thermodynamiques, en particulier le cycle de Carnot, fournissent des modèles idéaux pour analyser les performances des machines thermiques et pour établir des benchmarks pour l'efficacité énergétique