La thermodynamique La thermodynamique est la

La thermodynamique
La thermodynamique est la science de la chaleur et des transferts thermiques. C’est aussi, depuis L. Boltzmann, la science des grands
systèmes en équilibre.
La thermodynamique a permis de donner une définition précise de la température absolue d’un corps, notion complétée
grâce à la physique statistique. Cette définition a amené à la création d’une échelle absolue des températures, le kelvin (K). La
température minimale de tous les corps vaut zéro kelvin (0 K), soit le zéro absolu.
Il ne faut pas confondre la température et la chaleur. La température est une grandeur proportionnelle à l’énergie
moyenne des particules : plus les particules ont d’énergie thermique, plus le corps est chaud. Plus l’agitation des particules est
faible, plus le corps est froid. En revanche, la chaleur est une quantité d’énergie échangée entre deux systèmes : quand deux
systèmes, à des temératures différentes, sont mis en contact thermique, le plus chaud donne de l’énergie au plus froid.
Quelques situations faisant intervenir l’énergie thermique
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Historiquement, la thermodynamique s’est développée avec l’utilisation des machines thermiques : réfrigérateurs, pompes à chaleurs et
moteurs thermiques. Le réfrigérateur et la pompe à chaleur permettent d’utiliser du travail (électrique ou mécanique par exemple) pour
refroidir une source froide ou de réchauffer une source chaude. Le moteur thermique permet de convertir un transfert de chaleur en travail
moteur (qui fait avancer une voiture par exemple). Les cycles de Carnot, Diesel ou Beau de Rochas sont des exemples de cycles thermiques.
Imaginons une maison en hiver : l’air de la pièce est à 20°C, tandis que dehors il fait environ 5°C. Tel que nous l’avons dit plus haut, l’air
chaud transfère de l’énergie à l’air froid via les fenêtres, jusqu’à l’équilibre thermique, quand les deux sont à la même température. Pour
compenser ces pertes thermiques vers l’extérieur, il faut continuer à chauffer la pièce. Avec des fenêtres “double-vitrage”, le transfert
d’énergie est beaucoup plus faible qu’avec une simple couche de verre : on améliore l’isolation thermique de la pièce.
Lorsque l’on fait chauffer de l’eau dans une casserole, l’eau est plus chaude au fond de la casserole qu’en surface. Se crée alors un autre
phénomène : la convection. L’eau chaude est moins dense que l’eau froide, et des bulles d’eau chaude remontent à la surface, poussant l’eau
froide vers le fond. Quand la température de l’eau continue à augmenter, elle atteint la limite de l’ébullition. On assiste donc à un changement
de phase, passage de l’état liquide à l’état gazeux.
Les principes de la thermodynamique
Le premier principe correspond à la conservation de l’énergie. L’énergie ne peut donc être produite à partir de rien, et sa quantité totale est
constante. On ne crée pas d’énergie, on ne peut que la transformer.
Le second principe correspond à la notion d’irréversibilité de certains phénomènes. Un gaz enfermé dans un caisson de volume V, et que l’on
libère dans un volume V’ plus grand, va occuper tout l’espace disponible (détente de Joule – Gay Lussac). Le contraire n’arrivera jamais
spontanément : si un volume V’ est disponible, le gaz ne se concentrera jamais dans un volume V plus petit.
Le troisième principe énonce que les particules, portées asymptotiquement à la température 0 K, sont strictement immobiles (agitation nulle).