Lois de la thermodynamique

Laws of Thermodynamics

Zeroth Law of Thermodynamics

• If two systems are in thermal equilibrium with a third system, they are also in thermal equilibrium with each other.
• Allows definition of a temperature scale, such as Celsius or Kelvin.

First Law of Thermodynamics (Conservation of Energy)

• Energy cannot be created or destroyed, only converted from one form to another.
• ΔU = Q - W, where U is internal energy, Q is heat added, and W is work done.

Second Law of Thermodynamics

• Total entropy (a measure of disorder or randomness) of an isolated system always increases over time.
• Entropy (S) is a state function, and ΔS = ΔQ / T, where Q is heat added and T is temperature.

Third Law of Thermodynamics

• As the temperature of a system approaches absolute zero, the entropy of the system approaches a minimum value.
• Provides a fundamental limit on the efficiency of any heat engine.

Thermodynamic Systems

Isolated System

• No energy or matter can be exchanged with the surroundings.
• Total energy and entropy are constant.

Closed System

• Energy can be exchanged with the surroundings, but matter cannot.
• Total energy is constant, but entropy can change.

Open System

• Both energy and matter can be exchanged with the surroundings.
• No constraints on energy or entropy.

Thermodynamic Processes

Isothermal Process

• Temperature remains constant.
• ΔU = 0, Q = W.

Adiabatic Process

• No heat is transferred (Q = 0).
• ΔU = -W.

Isobaric Process

• Pressure remains constant.
• W = PΔV.

Isochoric Process

• Volume remains constant.
• W = 0.

Thermodynamic Properties

Internal Energy (U)

• Total energy of a system, including kinetic energy, potential energy, and potential energy associated with molecular interactions.

Enthalpy (H)

• Total energy of a system, including internal energy and energy associated with the pressure and volume of a system.
• H = U + PV.

Entropy (S)

• Measure of disorder or randomness of a system.
• Related to the number of possible microstates in a system.

Free Energy (G)

• Energy available to do work in a system.
• G = H - TS.

Specific Heat Capacity (c)

• Amount of heat energy required to raise the temperature of a unit mass of a substance by one degree.
• c = ΔQ / (mΔT).

Lois de la Thermodynamique

Loi Zéro de la Thermodynamique

• Deux systèmes en équilibre thermique avec un troisième système sont également en équilibre thermique entre eux.
• Permet de définir une échelle de température, comme Celsius ou Kelvin.

Première Loi de la Thermodynamique (Conservation de l'Énergie)

• L'énergie ne peut être créée ou détruite, mais seulement convertie d'une forme à une autre.
• ΔU = Q - W, où U est l'énergie interne, Q est la chaleur ajoutée et W est le travail effectué.

Deuxième Loi de la Thermodynamique

• L'entropie (mesure du désordre ou de la randomisation) d'un système isolé augmente toujours avec le temps.
• L'entropie (S) est une fonction d'état, et ΔS = ΔQ / T, où Q est la chaleur ajoutée et T est la température.

Troisième Loi de la Thermodynamique

• Lorsque la température d'un système approche du zéro absolu, l'entropie du système approche une valeur minimum.
• Fournit une borne fondamentale à l'efficacité de tout moteur thermique.

Systèmes Thermodynamiques

Système Isolé

• Aucune énergie ou matière ne peut être échangée avec les environs.
• L'énergie totale et l'entropie sont constantes.

Système Fermé

• L'énergie peut être échangée avec les environs, mais pas la matière.
• L'énergie totale est constante, mais l'entropie peut varier.

Système Ouvert

• L'énergie et la matière peuvent être échangées avec les environs.
• Aucune contrainte sur l'énergie ou l'entropie.

Processus Thermodynamiques

Processus Isenthalpe

• La température demeure constante.
• ΔU = 0, Q = W.

Processus Adiabatique

• Aucune chaleur n'est transférée (Q = 0).
• ΔU = -W.

Processus Isobare

• La pression demeure constante.
• W = PΔV.

Processus Isochore

• Le volume demeure constant.
• W = 0.

Propriétés Thermodynamiques

Énergie Interne (U)

• Énergie totale d'un système, y compris l'énergie cinétique, l'énergie potentielle et l'énergie potentielle associée aux interactions moléculaires.

Enthalpie (H)

• Énergie totale d'un système, y compris l'énergie interne et l'énergie associée à la pression et au volume du système.
• H = U + PV.

Entropie (S)

• Mesure du désordre ou de la randomisation d'un système.
• Liée au nombre d'états microscopiques possibles dans un système.

Énergie Libre (G)

• Énergie disponible pour faire du travail dans un système.
• G = H - TS.

Capacité Thermique Massique (c)

• Quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'une masse unitaire d'une substance de un degré.
• c = ΔQ / (mΔT).

Transfert de Chaleur

• Le transfert de chaleur est le transfert d'énergie thermique d'un corps ou d'un système à un autre en raison d'une différence de température.

Modes de Transfert de Chaleur

• Conduction: Transfert de chaleur entre les particules en contact physique.
  • Se produit dans les solides, où les atomes vibrent et s'entrechoquent, transférant l'énergie.
  • Dépend de la différence de température, de la surface de contact et de la conductivité thermique.
• Convection: Transfert de chaleur à travers le mouvement des fluides.
  • Se produit dans les fluides, où les particules chauffées se déplacent et transfèrent l'énergie.
  • Dépend de la différence de température, de la densité du fluide et de la vitesse.
• Rayonnement: Transfert de chaleur à travers les ondes électromagnétiques.
  • Se produit dans toutes les directions, à travers le vide ou les médias transparents.
  • Dépend de la température, de l'émissivité de la surface et de la distance.

Lois du Transfert de Chaleur

• Loi de la Thermodynamique Zéro: Si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième système, ils sont également en équilibre thermique entre eux.
• Première Loi de la Thermodynamique: L'énergie ne peut pas être créée ou détruite, mais seulement convertie d'une forme à une autre.
• Seconde Loi de la Thermodynamique: L'entropie totale d'un système isolé augmente toujours avec le temps.

Mécanismes de Transfert de Chaleur

• Capacité Thermique: La quantité d'énergie thermique requise pour changer la température d'un système de 1°C.
• Capacité Thermique Spécifique: La capacité thermique d'une substance par unité de masse.
• Chaleur Latente: L'énergie requise pour changer l'état d'une substance (par exemple, la fusion ou l'ébullition).
• Flux de Chaleur: Le taux de transfert de chaleur par unité de surface.
• Coefficients de Transfert de Chaleur: Une mesure de l'efficacité du transfert de chaleur entre les systèmes.

Applications du Transfert de Chaleur

• Isolement: Réduit le transfert de chaleur pour minimiser les pertes d'énergie.
• Échangeurs de Chaleur: Les appareils qui facilitent le transfert de chaleur entre les fluides, tels que les radiateurs ou les pôles de chaleur.
• Réfrigération: Le transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud, souvent en utilisant des réfrigérants.
• Gestion Thermique: Le contrôle du transfert de chaleur pour maintenir des températures optimales dans les systèmes, tels que les électroniques ou les bâtiments.