Thermodynamique - Lois et Concepts

Thermodynamics

• Definition:

  • Branch of physics that deals with the relationships between heat, work, temperature, and energy.

• Laws of Thermodynamics:

  1. Zeroth Law:

     • If two systems are in thermal equilibrium with a third system, then they are in thermal equilibrium with each other.
     • Establishes the concept of temperature.

  2. First Law (Law of Energy Conservation):

     • Energy cannot be created or destroyed, only transformed.
     • ΔU = Q - W (Change in internal energy = Heat added to the system - Work done by the system).

  3. Second Law:

     • Entropy of an isolated system always increases; natural processes tend to move toward a state of maximum disorder (higher entropy).
     • Heat cannot spontaneously flow from colder to hotter bodies.

  4. Third Law:

     • As temperature approaches absolute zero, the entropy of a perfect crystal approaches a constant minimum.

• Key Concepts:

  • System Types:

    • Open System: exchanges both matter and energy with surroundings.
    • Closed System: exchanges energy but not matter.
    • Isolated System: neither matter nor energy exchanged.

  • State Functions:

    • Properties that depend only on the state of the system (e.g., temperature, pressure, volume, internal energy, enthalpy, and entropy).

  • Processes:

    • Isothermal: Constant temperature.
    • Adiabatic: No heat exchange.
    • Isobaric: Constant pressure.
    • Isochoric: Constant volume.

• Applications:

  • Heat engines: Devices that convert thermal energy into work.
  • Refrigerators: Remove heat from a system to maintain low temperatures.
  • Biological systems: Understanding metabolic processes.

• Thermodynamic Cycles:

  • Series of processes that return a system to its original state.
  • Examples include the Carnot cycle, Otto cycle, and Rankine cycle.

• Entropy:

  • Measure of disorder or randomness in a system.
  • Higher entropy indicates a more disordered system.

• Enthalpy (H):

  • Total heat content of a system, useful for understanding heat transfer at constant pressure.
  • H = U + PV (Internal energy plus pressure-volume work).

• Heat Transfer Methods:

  • Conduction: Transfer of heat through direct contact.
  • Convection: Transfer of heat through fluid motion.
  • Radiation: Transfer of heat through electromagnetic waves.

Thermodynamique

• Branche de la physique qui étudie les relations entre la chaleur, le travail, la température et l'énergie.

Lois fondamentales de la thermodynamique

• Loi zéro: Si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième système, alors ils sont en équilibre thermique l'un avec l'autre.
  • Établit le concept de température.
• Première loi (Loi de conservation de l'énergie):
  • L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée.
  • ΔU = Q - W (Variation d'énergie interne = Chaleur ajoutée au système - Travail effectué par le système).
• Deuxième loi:
  • L'entropie d'un système isolé augmente toujours; les processus naturels ont tendance à se déplacer vers un état de désordre maximum (entropie plus élevée).
  • La chaleur ne peut pas spontanément passer d'un corps plus froid à un corps plus chaud.
• Troisième loi:
  • Lorsque la température approche du zéro absolu, l'entropie d'un cristal parfait approche d'une valeur minimum constante.

Concepts clés

• Types de systèmes:
  • Système ouvert: échange de la matière et de l'énergie avec l'environnement.
  • Système fermé: échange d'énergie mais pas de matière.
  • Système isolé: ni matière ni énergie échangée.
• Fonctions d'état:
  • Propriétés qui dépendent uniquement de l'état du système (par exemple, température, pression, volume, énergie interne, enthalpie et entropie).
• Processus:
  • Isotherme: Température constante.
  • Adiabatique: Pas d'échange de chaleur.
  • Isobare: Pression constante.
  • Isochore: Volume constant.
• Applications:
  • Moteurs thermiques: dispositifs qui convertissent l'énergie thermique en travail.
  • Réfrigérateurs: Enlèvent la chaleur d'un système pour maintenir des basses températures.
  • Systèmes biologiques: Compréhension des processus métaboliques.

Cycles thermodynamiques

• Série de processus qui ramènent un système à son état initial.
  • Exemples: cycle de Carnot, cycle d'Otto, cycle de Rankine.

Entropie

• Mesure du désordre ou du caractère aléatoire d'un système.
  • Une entropie plus élevée indique un système plus désordonné.

Enthalpie (H)

• Contenu thermique total d'un système, utile pour comprendre le transfert de chaleur à pression constante.
  • H = U + PV (Énergie interne plus travail pression-volume).

Méthodes de transfert de chaleur

• Conduction: Transfert de chaleur par contact direct.
• Convection: Transfert de chaleur par mouvement de fluide.
• Rayonnement: Transfert de chaleur par ondes électromagnétiques.