Thermodynamique

On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands dispositifs en équilibre.



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On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands dispositifs en équilibre. La première définition est aussi la première dans l'histoire. La seconde est venue ensuite, grâce aux travaux pionniers de Ludwig Boltzmann.

Avec la physique statistique, dont elle est désormais une partie, la thermodynamique est l'une des grandes théories sur lesquelles se fonde la compréhension actuelle de la matière.

Système thermodynamique typique - la chaleur se déplace du chaud (évaporateur) vers le froid (condenseur) et le travail est extrait.

Histoire de la thermodynamique

Science de la chaleur et des machines thermiques

Les notions de chaleur et de température sont les plus principales de la thermodynamique. On peut définir la thermodynamique comme la science de l'ensemble des phénomènes qui dépendent de la température et de ses changements.

Chaleur et température

Chacun a une connaissance intuitive de la notion de température. Un corps est chaud ou froid, selon que sa température est plus ou moins élevée. Mais une définition précise est plus complexe. L'un des grands succès de la thermodynamique classique au XIXe siècle, est d'avoir donné une définition de la température absolue d'un corps, qui a mené à la création de l'échelle kelvin. Celle-ci donne la température minimale pour tous les corps : zéro kelvin, soit -273, 15°C. Il s'agit du zéro absolu, dont le concept apparaît pour la première fois en 1702 avec le physicien français Guillaume Amontons.

La chaleur est plus complexe à définir. Une ancienne théorie, défendue surtout par Lavoisier, attribuait à un fluide spécial (invisible, impondérable ou presque) les propriétés de la chaleur, le calorique, qui circulerait d'un corps à un autre. Plus un corps est chaud, plus il contiendrait de calorique. Cette théorie est fausse au sens où le calorique ne peut pas être identifié à une quantité physique conservée. La thermodynamique définit la chaleur comme un transfert d'énergie désordonnée d'un dispositif avec le milieu extérieur. En effet l'énergie thermique correspond à l'énergie cinétique de molécules se déplaçant et subissant des chocs de manière aléatoire (appelés mouvement brownien). L'énergie transférée est dite désordonnée au niveau microscopique, par opposition au transfert d'énergie ordonnée au niveau macroscopique réalisé par le biais d'un travail.

Machines thermiques

Article détaillé : Machine thermique.

La thermodynamique classique a pris son essor comme science des machines thermiques ou science de la puissance motrice du feu.

Sadi Carnot a initié les études modernes des machines thermiques dans un mémoire fondateur, Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (1824). Le cycle de Carnot, étudié dans ce mémoire, reste le principal exemple théorique d'étude des machines thermiques. Plutôt que «puissance motrice», on dit actuellement que les machines thermiques fournissent un travail, et on s'interroge sur la façon d'utiliser la chaleur pour produire du travail continu.

La chaleur est produite par le mouvement des corps macroscopiques. Il suffit de frotter ses mains pour s'en rendre compte. Inversement, la chaleur peut mettre des corps macroscopiques en mouvement. On peut les appeler des machines à feu ou machines thermiques. Dispositifs macroscopiques, elles conservent leur mouvement tant qu'une différence de température entre une partie chaude et une partie froide est maintenue.

Exemples

Cette section présente quelques exemples où la puissance thermique joue un rôle.

Science des grands dispositifs en équilibre

Définir la thermodynamique comme la science de l'équilibre des grands dispositifs est une approche à la fois particulièrement rigoureuse et particulièrement générale.

Équilibre statistique et loi des grands nombres
Article détaillé : Loi des grands nombres.

Si on jette un même dé, bien équilibré, la plupart de fois, on est sûr par avance que les fréquences d'apparition de chacune des faces seront proches d'un sixième. Plus le nombre de lancers est grand, plus les fréquences sont identiques parce que le dé «explore» aussi l'ensemble des possibilités qui lui sont offertes. La même chose se produit si on verse une goutte de colorant dans un verre d'eau. Si on attend assez longtemps, le verre est devenu uniformément coloré parce que l'ensemble des molécules ajoutées «explorent» aussi l'ensemble des possibilités, les régions à l'intérieur du verre, qui leur sont offertes.

Ces observations peuvent être généralisées. Quand un dispositif est particulièrement grand, et quand il y a un sens à parler de l'équilibre du dispositif, on peut prédire avec certitude la destinée de la totalité alors même que les destinées des nombreux individus sont imprévisibles.

Petitesse des atomes

On sait actuellement que les atomes, particulièrement petits, existent. Dans chaque échantillon de matière, il y a un très grand nombre d'atomes, par exemple des milliards de milliards dans un minuscule grain de sable. La physique des corps macroscopiques est par conséquent toujours une physique des grands dispositifs.

Équilibres thermiques

L'étude des équilibres thermiques a une immense portée. L'ensemble des formes de la matière (gaz, liquides, solides, semi-fluides, ... ) et l'ensemble des phénomènes physiques (mécaniques, électriques et magnétiques, optiques, ... ) peuvent être étudiés en raisonnant sur l'équilibre des grands dispositifs. La thermodynamique, qu'on identifie alors plutôt à la physique statistique, est une des bases les plus solides sur laquelle est édifiée notre compréhension de la matière.

Principes

Les deux principes principaux sont le premier et le second. On leur en ajoute quelquefois deux autres (principes zéro et troisième).

Grandeurs extensives et intensives

Article détaillé : Extensivité - intensivité.

Parmi les grandeurs physiques qui déterminent l'état thermodynamique d'un dispositif, on distingue les grandeurs extensives et intensives.

Un dispositif peut toujours être divisé - par la pensée - en parties qui occupent des régions disjointes de l'espace.

Une grandeur est extensive quand sa valeur pour le dispositif entier est la somme de ses valeurs pour chacune de ses parties. Exemples :

Une grandeur est intensive quand dans un dispositif homogène sa valeur est la même pour le dispositif entier et pour chacune de ses parties. Exemples :

Une grandeur peut n'être ni extensive ni intensive, le carré du volume par exemple. On définit ce genre de grandeur pour trouver des relations entre celle-ci qui auront des propriétés différentes selon qu'une grandeur soit extensive ou intensive d'où l'intérêt de les distinguer.

Les variables d'état sont des grandeurs (indépendantes) qui servent à définir le dispositif et dont il suffit de fixer la valeur pour reconstituer un dispositif précisément semblable. Les grandeurs intensives sont indépendants de la quantité de matière : pression, température, viscosité, etc. Les grandeurs extensives sont proportionnelles à la quantité de matière : volume, énergie interne, enthalpie, etc.

Voir aussi

Liens externes

Bibliothèque virtuelle

Bibliographie

Vulgarisation

Ouvrages de référence

Initiation à la physique statistique

Niveau second cycle universitaire

Aspects historiques

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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