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	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.

1^ier 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.

2^e 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

3^e 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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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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