Électricité de baseLa technologie

La thermodynamique, ce qu'elle est et ses applications

La thermodynamique est une science basée sur l'étude de l'énergie. Les processus thermodynamiques se produisent quotidiennement dans la vie quotidienne, dans les maisons, dans l'industrie, avec la transformation de l'énergie, comme dans les équipements de climatisation, les réfrigérateurs, les voitures, les chaudières, entre autres. D'où l'importance de l'étude de la thermodynamique, basée sur quatre lois de base qui établissent les relations entre la qualité et la quantité d'énergie et les propriétés thermodynamiques.

Pour comprendre les lois de la thermodynamique, de manière simple, il faut partir de certains concepts de base qui sont exposés ci-dessous, tels que l'énergie, la chaleur, la température, entre autres.

Nous vous invitons à voir l'article La puissance de la loi de Watt (Applications - Exercices)

Couverture de l'article The Power of Watt's Law (Applications - Exercises)
citeia.com

Thermodynamique

Un peu d'histoire:

La thermodynamique étudie les échanges et les transformations d'énergie dans les processus. Déjà dans les années 1600, Galileo a commencé à mener des études dans ce domaine, avec l'invention du thermomètre en verre et la relation entre la densité d'un fluide et sa température.

Avec la révolution industrielle, des études sont menées pour connaître les relations entre la chaleur, le travail et l'énergie des carburants, ainsi que pour améliorer les performances des moteurs à vapeur, émergeant de la thermodynamique comme science d'étude, à partir de 1697 avec la machine à vapeur de Thomas Savery. Les première et deuxième lois de la thermodynamique ont été établies en 1850. De nombreux scientifiques tels que Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, entre autres, ont contribué au développement de cette science, la «thermodynamique».

Qu'est-ce que la thermodynamique?

La thermodynamique est une science qui étudie les transformations énergétiques. Depuis qu'il a été initialement étudié comment transformer la chaleur en énergie, dans les moteurs à vapeur, les mots grecs "thermos" et "dynamis" ont été utilisés pour nommer cette nouvelle science, formant le mot "thermodynamique". Voir la figure 1.

Origine du mot thermodynamique
citeia.com (fig. 1)

Applications thermodynamiques

Le domaine d'application de la thermodynamique est très large. La transformation de l'énergie se produit dans de multiples processus allant du corps humain, avec la digestion des aliments, à de nombreux processus industriels pour la production de produits. Dans les maisons, il existe également des appareils où la thermodynamique est appliquée aux fers à repasser, aux chauffe-eau, aux climatiseurs, entre autres. Les principes de la thermodynamique sont également appliqués dans une grande variété de domaines, tels que les centrales électriques, les automobiles et les fusées. Voir la figure 2.

Quelques utilisations de la thermodynamique
citeia.com (fig. 2)

Bases de Thermodynamique

Énergie (E)

Propriété de tout corps ou système matériel ou non matériel qui peut être transformé en modifiant sa situation ou son état. Il est également défini comme le potentiel ou la capacité de déplacer la matière. Dans la figure 3, vous pouvez voir certaines sources d'énergie.

Sources d'énergie
citeia.com (fig. 3)

Formes d'énergie

L'énergie se présente sous de nombreuses formes, telles que l'énergie éolienne, électrique, mécanique, nucléaire, entre autres. Dans l'étude de la thermodynamique, l'énergie cinétique, l'énergie potentielle et l'énergie interne des corps sont utilisées. L'énergie cinétique (Ec) est liée à la vitesse, l'énergie potentielle (Ep) à la hauteur et l'énergie interne (U) au mouvement des molécules internes. Voir la figure 4.

Énergie cinétique, potentielle et interne en thermodynamique.
citeia.com (fig. 4)

Chaleur (Q):

Transfert d'énergie thermique entre deux corps qui sont à des températures différentes. La chaleur est mesurée en Joule, BTU, livre-pied ou en calories.

Température (T):

C'est une mesure de l'énergie cinétique des atomes ou des molécules qui composent tout objet matériel. Il mesure le degré d'agitation des molécules internes d'un objet, de son énergie thermique. Plus le mouvement des molécules est important, plus la température est élevée. Il est mesuré en degrés Celsius, degrés Kelvin, degrés Rankine ou degrés Fahrenheit. Dans la figure 5, l'équivalence entre certaines échelles de température est présentée.

Quelques comparaisons et échelles de température.
citeia.com (fig. 5)

Principes thermodynamiques

L'étude des transformations énergétiques en thermodynamique repose sur quatre lois. Les première et deuxième lois sont liées à la qualité et à la quantité d'énergie; tandis que les troisième et quatrième lois sont liées aux propriétés thermodynamiques (température et entropie). Voir les figures 6 et 7.

Lois liées à l'énergie en thermodynamique.
citeia.com (fig. 6)

Première loi de la thermodynamique:

La première loi établit le principe de la conservation de l'énergie. L'énergie peut être transférée d'un corps à un autre, ou changée en une autre forme d'énergie, mais elle est toujours conservée, de sorte que la quantité totale d'énergie reste toujours constante.

Lois liées aux propriétés thermodynamiques
citeia.com (fig. 7)

Une rampe de patinage est un bon exemple de la loi de conservation de l'énergie, où l'on constate que l'énergie n'est pas créée ou détruite, mais est transformée en un autre type d'énergie. Pour un patineur comme celui de la figure 8, lorsque seule la force gravitationnelle influence, nous devons:

  • Position 1: Lorsque le patineur est en haut de la rampe, il a une énergie interne et une énergie potentielle en raison de la hauteur à laquelle il se trouve, mais son énergie cinétique est nulle puisqu'il n'est pas en mouvement (vitesse = 0 m / s).
  • Position 2: Au fur et à mesure que le patineur commence à glisser sur la rampe, la hauteur diminue, diminuant l'énergie interne et l'énergie potentielle, mais augmentant son énergie cinétique à mesure que sa vitesse augmente. L'énergie est transformée en énergie cinétique. Lorsque le patineur atteint le point le plus bas de la rampe (position 2), son énergie potentielle est nulle (hauteur = 0m), alors qu'il acquiert la vitesse la plus élevée dans son parcours sur la rampe.
  • Position 3: Au fur et à mesure que la rampe monte, le patineur perd de la vitesse, diminuant son énergie cinétique, mais l'énergie interne augmente, et l'énergie potentielle, à mesure qu'il prend de la hauteur.
Conservation de l'énergie en thermodynamique.
citeia.com (fig. 8)

Deuxième loi de la thermodynamique:

La deuxième loi est liée à la «qualité» de l'énergie, dans l'optimisation de la conversion et / ou de la transmission de l'énergie. Cette loi établit que dans les processus réels, la qualité de l'énergie a tendance à diminuer. La définition de la propriété thermodynamique «entropie» est introduite. Dans les énoncés de la deuxième loi, il est établi quand un processus peut se produire et quand il ne peut pas, même si la première loi continue d'être respectée. Voir la figure 9.

Sensation de transfert de chaleur.
citeia.com (fig. 9)

Loi zéro:

La loi zéro stipule que si deux systèmes en équilibre avec un troisième, ils sont en équilibre l'un avec l'autre. Par exemple, pour la figure 10, si A est en équilibre thermique avec C, et C est en équilibre thermique avec B, alors A est en équilibre thermique avec B.

Loi zéro de la thermodynamique
citeia.com (fig. 10)

Autres concepts du Thermodynamique

Système

Partie de l'univers qui est d'intérêt ou d'étude. Pour la tasse de café de la figure 11, le «système» est le contenu de la tasse (café) où le transfert d'énergie thermique peut être étudié. Voir la figure 12. [4]

Système, frontière et environnement d'un système thermodynamique.
citeia.com (fig. 11)

L'Environnement

C'est le reste de l'univers extérieur au système étudié. Sur la figure 12, la tasse à café est considérée comme la «bordure» qui contient le café (système) et ce qui se trouve à l'extérieur de la tasse (bordure) est «l'environnement» du système.

Système thermodynamique qui explique l'équilibre thermodynamique.
citeia.com (fig. 12)

Équilibre thermodynamique

État dans lequel les propriétés du système sont bien définies et ne varient pas dans le temps. Lorsqu'un système présente l'équilibre thermique, l'équilibre mécanique et l'équilibre chimique, il est en «équilibre thermodynamique». En équilibre, un système ne peut modifier son état que si un agent extérieur agit sur lui. Voir la figure 13.

Equilibre thermodynamique
citeia.com (fig. 13)

Mur

Entité qui autorise ou empêche les interactions entre les systèmes. Si la paroi permet le passage de la substance, on dit qu'elle est une paroi perméable. Un mur adiabatique est celui qui ne permet pas le transfert de chaleur entre deux systèmes. Lorsque le mur permet le transfert d'énergie thermique, on parle de mur diathermique. Voir la figure 14.

Mur d'un système thermodynamique
citeia.com (14 figues)

Conclusions

L'énergie est la capacité de déplacer la matière. Cela peut être transformé en modifiant sa situation ou son état.

La thermodynamique est une science qui étudie les échanges et les transformations d'énergie dans les processus. L'étude des transformations énergétiques en thermodynamique repose sur quatre lois. Les première et deuxième lois sont liées à la qualité et à la quantité d'énergie; tandis que les troisième et quatrième lois sont liées aux propriétés thermodynamiques (température et entropie).

La température est une mesure du degré d'agitation des molécules qui composent un corps, tandis que la chaleur est le transfert d'énergie thermique entre deux corps qui sont à des températures différentes.

L'équilibre thermodynamique existe lorsque le système est simultanément en équilibre thermique, en équilibre mécanique et en équilibre chimique.

Note de remerciement: Pour l'élaboration de cet article nous avons eu l'honneur de bénéficier des conseils du Ing. Marisol Pino, spécialiste en instrumentation et contrôle industriels.