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Physique

 

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THERMODYNAMIQUE

 

Glossaire

Énergie

 

 

Index

 

Sciences

Chaleur

Machine à vapeur

Diagramme de Carnot – Pratique

Historique

Base de la Thermo

Diagramme de Carnot – Théorique

 

Sommaire de cette page

>>> Deux types de machines

>>> Notions de thermodynamique

>>> Les principes de la thermodynamique

 

 

 

 

THERMODYNAMIQUE

 

Les moteurs thermiques sont mystérieux. Il y en a de plusieurs types. Quel est celui qui donne le plus de puissance?

 

Le problème est de trouver la machine qui fournit le plus d'énergie mécanique. La machine qui donnera le meilleur rendement. Un rendement supérieur à 50%, par exemple. C'est la machine à cycle fermé qui va donner la solution.

 

 

 

 

Deux types de machines

Machine à vapeur

Machine thermique

*    Une machine à vapeur se conçoit assez bien. La pression de la vapeur pousse un piston.

Le principe de la machine thermique n'est pas si intuitif.

 

*    On modifie le volume d'un gaz en le chauffant puis en le refroidissant.

*    C'est le cycle de Carnot exploitant le transfert d'énergie du chaud vers le froid, tout en libérant un  peu d'énergie mécanique (l'explication va suivre).

*    À chaque mouvement du piston, le gaz (vapeur) est renouvelé dans le cylindre.

*    Le même principe est utilisé dans les turbines: le gaz agit sur les ailettes et provoque le mouvement du rotor.

*    C'est toujours le même gaz qui reste dans le cylindre.

*    Chauffé, mis sous pression, il pousse fort le piston.

*    Refroidi, détendu, il se laisse facilement comprimer par le piston.

Cycle ouvert

Cycle fermé

*    Une partie des échanges de chaleur se fait par transfert de gaz. Le gaz s'échappe dans l'atmosphère. On gâche de l'énergie.

*    Tout le gaz est conservé. On devrait avoir moins de pertes qu'en cycle ouvert. On se rapproche du premier principe de la thermodynamique qui dit que l'énergie se conserve même si elle se transforme.

 

 

Notions de thermodynamique

Température

Agitation des atomes

*    Concept fondamental

*       de la dynamique: le temps;

*       de la thermodynamique: la température.

*    La température d'un corps est la mesure de son agitation moléculaire. Elle représente la proportion d'atomes excités et d'atomes à l'état fondamental d'un corps. Elle représente l'énergie moyenne d'une molécule.

Chaleur

Forme d'énergie

*    C'est l'énergie et non la chaleur qui se conserve.

*    Découverte majeure de Kelvin et Clausius vers 1850.

Entropie

Qualifie l'énergie qui se dégrade

*    Qualifie la qualité de l'énergie:

*       entropie faible: bonne qualité de l'énergie;

*       entropie forte :  énergie de pauvre qualité.

*    C'est le nombre de configurations microscopiques compatibles avec les contraintes macroscopiques (énergie, volume …)

 

Mnémotechnique: Entropie = désordre,  bordel ambiant

Suite >>>

Voir Limites physiques

 

 

 

Les principes de la thermodynamique

Principe de base

*    On peut définir la température d'un corps.

Deux systèmes thermodynamiques en équilibre avec un troisième sont en équilibre entre eux. Leur propriété commune est la température et, un échange d'énergie exige une différence de température.

 

1ier  principe

CONSERVATION

*    En 1840, Joule découvre expérimentalement que le travail et la chaleur sont de même nature. En 1842, Mayer trouve le même résultat, indépendamment.

*    Le premier principe énonce que:

 

Dans un système fermé, la quantité totale d'énergie, en incluant la chaleur, est conservée.

 

*        Dans la vie courante, les systèmes ne presque jamais fermés. Le chauffage de la maison avec les fuites inévitables vers l'atmosphère.

*        L'univers est fermé. On peut considérer que le système solaire est fermé.

*        Dans les expériences de mesure, on s'arrange pour que le système soit considéré comme fermé.

 

*    Lorsque la chaleur est transformée en travail dans une machine à vapeur, l'énergie totale est conservée.

*    Principe de la conservation de l'énergie. Elle ne peut ni être crée ni être détruite.

 

Il y a équivalence entre la chaleur (Q) et le travail (W)

W + Q = 0

pour un cycle thermodynamique fermé

 

*      La variation d’énergie interne d’un système est la somme des échanges de la chaleur transmise ou reçue et du travail effectué sur ou à l’extérieur du système.

 

2e  principe

ENTROPIE

 

Carnot et Clausius,

*    Dans l'Univers, la qualité de l'énergie se dégrade vers le désordre généralisé, une entropie maximum. L'énergie "s'use"; elle n'est plus utilisable sous forme de travail.

*    Si la quantité se conserve, la qualité  se dégrade car de plus en plus d'énergie se disperse en chaleur inutilisable.

 

*    Analogie de la balle de billard, sa trajectoire est réversible. La balle lancée dans un sens suivra exactement la même trajectoire à l'envers si elle est lancée dans l'autre sens. Ce n'est pas le cas avec les molécules de gaz (loi de Boltzmann – 1873). Les molécules se dispersent dans le désordre et sont incapables de retrouver l'ordre: l'entropie augmente.

*    Les travaux de Cédric Villani, médaille Fields 2010, concernent la vitesse avec laquelle l'entropie augmente

 

L’entropie d’un système fermé sous l'effet de transformations tend à être maximum.

 

*    De façon plus claire, le second principe se décortique comme suit:

*      Le flux de chaleur ne va que du chaud vers le froid;

*      Un moteur ne peut pas atteindre un rendement de 100%;

*      De toute manière, le désordre s'accroît avec le temps.

 

Voir Entropie de l'information

 

 

 Entropie chez James Bond

L'entropie est la vérité essentielle de la nature, la tendance à la déchéance et au désordre; en physique, en art, dans le monde du vivant … dans tous les domaines. Le chemin vers l'anarchie. Cela peut paraître pessimiste, mais il ne faut pas s'y tromper. C'est la plus belle chose du monde. Quand on embrasse la vérité, on ne peut jamais se tromper. Et l'entropie, c'est la vérité

Extrait de Carte blanche (James Bond) – Jeffery Deaver – J'ai Lu – 2011 – page387

 

 

3e principe

ZÉRO ABSOLU

*    La transformation n'est complète qu'au zéro absolu. L'énergie tend à se disperser. Les transformations naturelles sont celles qui s'accompagnent d'une augmentation de l'entropie de l'univers. Or le zéro absolu est inaccessible.

*    Il n'est pas possible de refroidir un corps à la température du zéro absolu en un nombre fini d'étapes.

 

L’entropie d’un système à 0 K est nulle.

 

 

*    Selon le troisième principe de la thermodynamique, il n’existe rien qui soit totalement immobile. Cela explique pourquoi chaque chose dans l’Univers se déplace, même de façon minime.

 

Anglais: Laws of thermodynamics

Voir  Températures négatives

 

 

 

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*           Eau et calorie

*           Les 17 équations qui ont changé le monde

*           Loi de Stefan-Boltzmann

*           Machine à vapeur

*           Masse corporelle

*           Température

Livres

*           Chaleur et désordre – Le deuxième principe de la thermodynamique – P.W. Atkins – Pour la science – Belin 1987

*           Le doigt de Galilée – Dix grandes idées pour comprendre la science – Peter Atkins – Dunod – 2004

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http://villemin.gerard.free.fr/aScience/Thermody/ThermoBa.htm