Voilà un sujet assez peu clarifié en classes de secondaire, abordé vaguement sans rentrer dans trop de détails. La thermodynamique est également une branche de la physique, mais il s'agit pourtant d'une branche développée très tardivement. Ce n'est en effet qu'au XIXe siècle en Occident que l'on s'y intéressa ! Il s'agit de la branche de la physique ayant pour objet d'étude l'énergie, et plus exactement, l'échange énergétique entre différents "systèmes", différents milieux. On parle ici en fait de conservation de l'énergie, car l'énergie en thermodynamique se conserve.
Mais pourriez-vous expliquer réellement en quoi consiste la thermodynamique ? Tout comme vous pourriez expliquer en quoi consiste exactement un autre phénomène physique, à savoir l'électromagnétisme ? La thermodynamique est une branche de la science physique assez délaissée durant de nombreux siècles, qui pourtant est devenue aujourd'hui fondamentale pour de nombreux secteurs. Place aux explications à présent !
Pourquoi avoir donné ce nom de "thermo-dynamique" ?
La thermodynamique est composée de "thermo", la chaleur, et de "dynamique", l'action et le mouvement donc. Pourquoi cela ? Tout simplement parce que cette branche de la physique étudie le mouvement dû à l'énergie, et donc à la chaleur.
Les 3 principes fondamentaux de la thermodynamique
La thermodynamique dispose de trois grandes caractéristiques principales, trois sortes de principes fondamentaux. Il s'agit de :
- sa propriété conservatrice et constante : l'énergie se conserve (il y a en effet autant d'énergie dans l'Univers avant qu'il y en a aujourd'hui, pour la simple bonne raison que l'énergie se conserve et qu'on ne perd pas d'énergie, toute l'énergie "perdue" étant donnée ailleurs, à un autre objet dans l'Univers, et donc puisqu'il y a transfert d'énergie, il n'y a pas réellement de perte). C'est donc le principe de l'équivalence en thermodynamique, visant à affirmer que "rien ne se crée ni ne se perd, tout reste constant".
- sa propriété à changer, à varier, lorsqu'on la donne à un autre système, un autre objet : une évolution de l'énergie (l'entropie) ;
- l'entropie de tout corps pur cristallisé est nulle au zéro (à la fois pour des systèmes solides, liquides et gazeux).
C'est sur ces trois constats, qui sont en fait des principes et non des théories absolues car non vérifiés, que la thermodynamique se base.
Comment l'énergie peut-elle être transmise ?
L'énergie se transmet de 4 façons et pas une seule de plus. Certaines sont beaucoup plus fréquemment observables que d'autres dans le monde quotidien. La première façon de transmettre l'énergie, bien qu'il n'y ait pas de raison précise à cet ordre-ci, est le transfert thermique. Il s'agit de la chaleur à proprement parler, avec la notion de température chaude, élevée donc. Puis l'énergie se transmet également parfois par rayonnement, autrement dit un rayonnement électromagnétique. L'énergie se déplace ici d'un point à un autre par le biais de particules et ondes.
La troisième manière de transmettre de l'énergie est par la force. Il s'agit ici d'une force non conservatrice donc, puisque nous parlons de transfert. Une force conservatrice gardera l'énergie, ce qui n'est donc pas ce que nous voulons ici. Enfin, le transfert électrique complète la liste.
Sous quelle forme se conserve l'énergie ?
L'énergie se conserve, comme nous l'avons vu ci-dessus. Mais de quelle manière exactement ? De deux manières possibles. D'une part, elle peut se stocker en énergie mécanique, au niveau macroscopique, d'autre part, en énergie interne, autrement dit en énergie microscopique. A l'échelle macroscopique, on étudie l'énergie sans se soucier de l'échelle microscopique.
C'est-à-dire que l'énergie qui nous intéresse ici est l'énergie des systèmes gazeux, liquides et solides, en utilisant la description de paramètres peu nombreux en thermodynamique. Par exemple, nous parlerons de la pression, de la quantité de matière, du volume occupé ou encore de la température du système. Il s'agit de la partie de la thermodynamique la plus "classique".
En thermodynamique à l'échelle microscopique, interne donc, on a pour objet d'étude, pour système, un élément se situant au niveau des molécules, des atomes comme c'est par exemple le cas de l'énergie nucléaire (l'énergie en rapport avec les nucléons, à savoir les protons et neutrons du noyau d'un atome). A l'échelle interne, au contraire, on s'intéresse à un objet au niveau microscopique, donc à un objet caractérisé par une quantité de données et caractéristiques à l'échelle microscopique : il s'agit des mouvements de chaque molécule.
Rappelons que nous nommons "système" tout objet d'étude sur lequel notre attention se porte, en physique.
Comment est exprimée l'énergie ?
L'énergie est exprimable selon plusieurs unités de mesure, le joule étant l'unité principalement utilisée, suivie par le kilowatt-heure plus rarement.
Mesurer l'énergie : est-ce possible ?
L'énergie directement, non, mais les transferts d'énergie, oui. Les transferts d'énergie sont plus visibles et donc mesurables par l'humain. Mais l'énergie et ses transferts sont deux choses différentes ! En effet, le transfert d'énergie est la manière dont on peut transmettre l'énergie d'un système A à un système B. Le transfert est la manière dont on peut donner l'énergie à un autre système.
L'énergie cinétique renvoie à l'énergie liée à la notion de vitesse, quant à l'énergie potentielle, elle est liée à la position, et donc à la notion de pesanteur. Toute énergie est liée à la chaleur et à la température, en tout cas ! Les ondes, la lumière ainsi que les sons sont également au programme des cours de physique dans le secondaire, mais une piqûre de rappel ne fait jamais de mal !
La relation étroite entre thermodynamique et température / chaleur
La température est un élément de la chaleur, car elle désigne quelque chose de communément considéré comme "chaud" ou "froid". Cependant, nous avons très vite remarqué à quel point la notion de chaleur varie non seulement entre individus (habitudes de vie, notamment…) mais également au sein même d'un seul individu. En effet, supposons que vous ayez les mains chaudes, alors la température d'un objet chaud que vous allez toucher vous semblera plus basse que si vous aviez les mains froides.
Pour parler de la température donc, étant donné qu'il s'agit d'une notion complexe et difficile à objectiver, on va utiliser la notion fondamentale de dilatation. En thermodynamique, l'énergie et la chaleur dilatent. C'est d'ailleurs le principe même du fameux thermomètre : l'équilibre thermique est dû à la température extérieure au thermomètre qui vient s'approprier le thermomètre de sorte à ce que celui-ci dispose d'une température exactement identique à la température ambiante.
Plusieurs unités de mesure existent pour l'évaluation de la température. Selon les pays, les unités diffèrent. Ainsi, en Belgique et globalement dans le reste de l'Europe, c'est le Celsius qui est utilisé. En Angleterre ainsi qu'aux Etats-Unis, c'est pour l'instant le Fahrenheit qui prédomine, et le Kelvin est globalement utilisé par tous les physiciens pour parler de la température et des couleurs. Le Kelvin est l'échelle absolue (d'où le principe 3).
Qu'est-ce que la chaleur, plus précisément ?
C'est bien beau de savoir que la chaleur est à la base de l'énergie, mais de quoi parle-t-on exactement ? Les cours de secondaire ne s'attardent pas assez sur les définitions et explications claires de chaque notion. La chaleur est en réalité l'une des formes d'énergie (et non pas la seule !) qui est à la base de la thermodynamique. Elle est dite chaotique car lorsque deux corps, deux systèmes sont en contact, la chaleur de l'un et l'autre finissent par ne former qu'une même chaleur uniforme.
Mesurée en joule, la chaleur peut être définie en capacité calorique. C'est-à-dire qu'un système détient une capacité calorique, définissant ainsi quelle quantité de chaleur il a besoin pour chauffer, cette capacité étant bien entendu différente selon le système…
La chaleur est "faite" comment ? En réalité, et c'est là que tout se rejoint, la chaleur est liée à l'énergie thermique en ce qu'elle provient du mouvement des particules infiniment petites et nombreuses de toute matière existante. Absolument tous les systèmes en sont constitués, et l'énergie des particules est appelée énergie cinétique : le mouvement y est constant.
Une fois que l'on sait cela, on peut maintenant s'intéresser à ce à quoi se sont finalement intéressés les inventeurs en thermodynamique pour créer des machines phénoménales : la façon de provoquer de la chaleur.
Comment créer de la chaleur pour s'en servir en énergie thermodynamique ?
L'homme et la femme préhistoriques ont su parfaitement utiliser les flammes à partir du frottement de deux objets, à savoir deux pierres. Ceci avant même les prouesses et théories en physique qui naquirent bien après ! Cependant, les manières de provoquer de la chaleur (autrement que par les flammes, d'ailleurs) sont très nombreuses :
- le frottement de deux objets, comme nous l'avons vu : très utilisé de nos jours dans le domaine de l'ingénierie notamment
- une perte d'énergie d'un corps : en rapprochant deux corps, l'un plus froid que l'autre, la chaleur va s'emparer des deux corps, ce qui augmente l'énergie
- une disparition de masse (dans le domaine des réactions nucléaires) : catastrophes nucléaires notamment avec pour cause une radioactivité intense…
- la transformation d'une énergie potentielle (liée à la pesanteur) entre différents atomes, menant à une réaction chimique (par exemple, faire brûler des molécules d'hydrocarbures pour faire se dilater un élément X et faire ainsi bouger le système).
La chaleur est utilisée, dans le domaine de la thermodynamique, pour transformer de la force en électricité.
Les systèmes en thermodynamique
Trois types de systèmes existent en thermodynamique, il s'agit des systèmes isolés, des systèmes pseudo isolés et des systèmes ouverts. Les premiers consistent en un échange absent de matière et d'énergie avec l'environnement. Les systèmes isolés concernent les éléments n'échangeant donc ni la matière ni l'énergie dont ils disposent et dont ils sont faits. Par exemple, une bouteille isotherme a pour propriété de ne pas transmettre ni son énergie (la chaleur ou la fraîcheur de ce qu'elle contient) ni la matière de ce qu'elle contient à celui ou celle qui la touche.
Les systèmes ouverts sont les éléments transmettant à la fois leur matière et leur énergie (chaleur), tels que par exemple les êtres vivants, tout simplement, qui partagent à la fois leur matière et leur énergie thermique avec leur environnement. Quant aux systèmes pseudo isolés, ils se situent à mi-chemin et concernent donc les éléments qui transmettent à leur environnement leur énergie, mais pas leur matière. C'est ici le cas d'énormément de choses : votre gobelet en plastique contenant un liquide, la vitre de votre poêle à bois…
Résumer avec l'IA :
Vous avez aimé cet article ? Notez-le !
Loading...
