Les principes de la thermodynamique sont à la base de nombreuses applications dont nous nous servons tous les jours : voitures, réfrigérateurs, systèmes de chauffage, etc. © Oleksandr Delyk, Fotolia

Sciences

Thermodynamique

DéfinitionClassé sous :physique , thermodynamique , thermodynamique chimique

La thermodynamique correspond à une branche de la physique qui étudie le comportement thermique des corps, plus exactement les mouvements de chaleur.

De façon plus générale, la thermodynamique s'intéresse à l'étude de l'énergie (en particulier l'énergie interne) et de ses transformations.

Naissance et histoire de la thermodynamique

C'est au XIXe siècle que cette discipline a connu son essor. Elle permet en effet de comprendre le comportement des machines thermiques, comme les machines à vapeur centrales, qui sont au cœur de la révolution industrielle. Depuis, la thermodynamique est devenue une discipline essentielle pour l'ingénieur.

L'étude thermodynamique des corps comprend notamment la conception et la validation de modèles du comportement thermique des corps, les équations d'état, établies à partir de valeurs expérimentales. En pratique, les équilibres prédits par la thermodynamique peuvent être contrariés par l'influence du temps (l'obtention de l'équilibre thermodynamique pourrait parfois nécessiter un temps infini) et sont régis par des cinétiques (Arrhénius).

Bases de la thermodynamique

La thermodynamique étudie les transformations des systèmes (ensembles de corps séparés par une frontière matérielle ou non) :

  • ouverts ou fermés (selon qu'ils échangent ou non de la matière avec l'extérieur) ;
  • isolés ou non (selon qu'ils échangent ou non de l'énergie avec l'extérieur).

Ces systèmes sont représentés par des variables d'état (intensives ou extensives).

La température thermodynamique est l'une des grandeurs essentielles à la discipline, car elle rend compte du degré d'agitation des molécules. Volume, masse, énergie ou entropie sont d'autres exemples de grandeurs thermodynamiques dites « extensives ». Leur valeur pour un système entier correspond à la somme des valeurs qu'elles prennent pour chaque partie du système. Pression ou encore masse volumique sont quant à elles des grandeurs intensives d'intérêt. Leur valeur dans le système entier est la même que dans chacune de ses parties.

La deuxième loi de la thermodynamique est également appelée « principe de Carnot », du nom du physicien et ingénieur français qui en a proposé un premier énoncé. © Louis Léopold Boilly, Wikipédia, DP

Lois : premier principe et principe de Carnot

La thermodynamique repose sur deux principes fondamentaux :

Le troisième principe de la thermodynamique, de son côté, aborde la notion du zéro absolu. Le principe zéro de la thermodynamique en appelle à la notion d'équilibre thermique.

La thermodynamique chimique

La chimie se pose également la question des mouvements de chaleur. En effet, le plus souvent, les réactions chimiques sont le siège d'échanges de chaleur — ou d'autres formes d'énergie. Ainsi, la thermodynamique chimique s'intéresse à l'évolution des réactions chimiques.

En chimie, l'équilibre thermodynamique se traduit par la loi d'action de masse (V. Guldberg).