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4.3 Thermodynamique

Une capsule spatiale entrant dans l’atmosphère terrestre à près de 40 000 km/h produit de la chaleur (2000 à 3000°C). Ceci est dû à la collision des atomes de l’air avec le bouclier thermique, qui provoque l’oscillation des atomes du bouclier thermique. Dans ce cas, la chaleur est produite par la friction causée par la perte de l’énergie cinétique de la capsule. Dans chaque matière, qu’elle soit solide, liquide ou gazeuse, les atomes ou les molécules sont toujours en train de bouger, c’est-à-dire d’osciller (fig. 4-1). C’est la définition de la chaleur, c’est-à-dire l’oscillation des atomes ou des molécules. Plus l’oscillation est forte, plus le niveau de chaleur est élevé. Quand nous mesurons la température d’une substance, ce sont les oscillations que nous mesurons.

fig. 4-1 Énergie cinétique des atomes et molécules

 

Changement d’état

Si nous tenons une baguette métallique au-dessus d’une flamme, nous provoquons l’excitation thermique des atomes du métal. Les atomes commencent à osciller fortement, les chocs mutuels se multiplient et par conséquent le métal chauffe. Le métal se dilate parce que les mouvements oscillatoires des atomes réduisent leur force d’attraction mutuelle. Si nous continuons à chauffer, les atomes du métal perdent totalement leur ordre intrinsèque. Le métal fond et quelques atomes se dégagent de la surface sous forme de vapeur ou plus exactement quittent la surface du fluide sous forme de gaz.
Nous avons maintenant appris les 3 états thermodynamiques de la matière :

·    solide

·    liquide, et

·    gazeux.

Rayonnement

Alors que se produisent ces oscillations d’atomes et de molécules ainsi que leurs constantes interactions, il se produit un autre processus que nous ressentons aussi comme de la chaleur. Lors des « collisions » des atomes, certains électrons, qui gravitent constamment autour du noyau de l’atome, sont soudainement projetés de leur orbite normale vers une autre (fig. 4-2). Cependant, ils ne s’y sentent pas « à l’aise » et ils rejoignent leur orbite normale assez rapidement, mais seulement par petites étapes. Vu qu’aucune énergie n’est perdue, ils libèrent sous forme de rayonnement électromagnétique autant d’énergie qu’il ne leur en a été nécessaire pour revenir sur leur orbite.

Si ce rayonnement rencontre d’autres atomes ou molécules, par exemple, dans notre peau, alors l’énergie qu’ils libèrent augmente l’oscillation des atomes ou molécules, ce que nous ressentons comme de la chaleur. On appelle ce rayonnement dérivé de la chaleur et produisant de la chaleur rayonnement thermique ou rayonnement infra-rouge. Il n’est pas visible à l’œil nu. Le rayonnement permet l’émission de chaleur sans conducteur matériel entre la source de chaleur et le corps rayonné. C’est ainsi, par exemple, que l’énergie rayonnante du soleil est transmise à la Terre.

Toute matière chaude dégage en permanence de l’énergie thermique par rayonnement. Ceci vaut aussi pour le métal que nous chauffions et pour la flamme utilisée pour le chauffer. Dès que nous retirons la flamme, les oscillations des atomes du métal s’atténuent immédiatement, la température baisse et le rayonnement thermique diminue. Tout comme la flamme excitait thermiquement le métal, le métal chauffé excite maintenant thermiquement son environnement plus froid, c’est-à-dire par exemple l’air ambiant ou les pinces que nous utilisons pour le tenir. Lors de ce phénomène, le métal perd son énergie interne jusqu’à ce que sa température soit en équilibre avec la température environnante. Cependant, à ce stade, ses atomes ne se sont absolument pas arrêtés, ils oscillent toujours avec une énergie correspondant à cette température.

Fig. 4-2 Rayonnement électromagnétique par l’énergie de retour des électrons

La présentation de ces concepts d’oscillation des atomes et de sauts des électrons d’une orbite à l’autre nous permettent de comprendre plus aisément les lois de la thermodynamique.  

Première Loi de la Thermodynamique

Dans un système fermé, la somme de toutes les énergies est une constante.
L’énergie ne peut ni se perdre ni se créer à partir de rien, elle ne peut qu’être transformée en une autre forme d’énergie.

Énergie cinétique (symbole W) : L’énergie ou la vitesse cinétique est l’énergie mécanique qu’a un corps à cause de son mouvement.

Énergie nucléaire : L’énergie de liaison d’un noyau d’atome (au vrai sens du terme) est l’énergie libérée ou utilisable pendant une réaction nucléaire. Commercialement, seule l’énergie libérée lors des processus de fission nucléaire dans les centrales nucléaires a été utilisée jusqu’à maintenant. Dans un réacteur nucléaire, le choc des particules atomiques se fait à une vitesse très élevée sur de la matière non fissible.

Énergie électromécanique : est l’énergie mécanique produite par l’électricité. Dans les moteurs thermiques, l’énergie mécanique ou électrique est produite à partir de la chaleur.

Énergie potentielle (symbole Epot) : est l’énergie contenue dans un corps ou une particule, à cause de sa position dans un champ de force ou à cause de sa position interactive avec des corps ou particules de son environnement. L’énergie potentielle est contenue par exemple par un corps surélevé, un ressort tendu ou un lac de barrage dans la montagne. L’énergie hydraulique est transformée en énergie électrique, elle-même transformée en chaleur électrique, en force motrice ou en lumière électrique.

Par la photosynthèse des atomes et molécules, on obtient à partir de la lumière de la matière organique, c’est-à-dire de l’énergie chimique. Cette énergie peut être libérée pendant la combustion sous forme de chaleur, lumière ou force motrice.

Un travail mécanique peut être transformé en chaleur. La reconversion de la chaleur en travail mécanique n’est possible qu’en partie. Il y a toujours des pertes.

La chaleur est produite pendant les processus de transformation et est en même temps une forme d’énergie.

Deuxième loi de la Thermodynamique

La chaleur ne peut jamais passer d’elle-même d’un corps plus froid à un corps plus chaud.

Un corps plus chaud excite thermiquement un corps plus froid immédiatement et perd alors son énergie interne. Ceci détermine la direction de tous les flux de chaleur :

Tous les phénomènes de transfert de chaleur se déplacent toujours du chaud vers le froid.

Le refroidissement que nous ressentons n’est jamais un transfert de froid, mais plutôt une perte de chaleur de notre corps.

Température

Outre la pression, la densité et le volume spécifique, la température est la mesure de l’état thermique. L’oscillation des atomes dans toute matière chauffée nous montre que la plus basse température, le zéro absolu, ne peut être atteinte que si les atomes ne bougent plus, c’est-à-dire ne montrent plus la moindre oscillation.
En pratique, ce point ne peut pas être atteint, parce que la plus petite quantité de chaleur suffit (par ex. du récipient ou même du thermomètre) pour augmenter la température d’une matière.

Kelvin

La température absolue Theta se base sur le zéro absolu selon Kelvin et s’élève à –273.15°C. En physique, l’unité pour l’échelle de Kelvin est le Kelvin (K).
(Kelvin, physicien britannique, 1824 – 1907)

Par rapport à l’échelle Celsius 0°C = 273 K et inversement

n K = 273.15 + n °C = température absolue T en Kelvin.

Les différences de température DJ (delta theta) sont aussi indiquées en Kelvin.

La température peut être mesurée en utilisant la dilatation thermique de matériaux solides (le plus souvent des métaux), de liquides (par exemple, l’alcool dans un thermomètre), ou le changement des résistances électriques (voir sous « Systèmes de Mesure »).

Celsius

Les échelles de température relatives (les échelles Celsius et Fahrenheit) se basent sur les propriétés de matière dépendant de la température, telles que les points de congélation et d’ébullition de l’eau.
L’échelle Celsius fut introduite en 1742 par l’astronome suédois Anders Celsius (1701-1744).

L’échelle Celsius est celle qui est la plus utilisée dans les mesures quotidiennes de température (ex. : température ambiante et extérieure).  

Les repères : 0 °C    = Point de congélation de l’eau
  100 °C = Point d’ébullition de l’eau

sous une pression atmosphérique normale de 1.013 bar

Fig. 4-3 Echelles de température  

 

Comparaison et conversion des différentes échelles

Point zéro :   0 °C    = 273.15 K = 32°F  
Degrés Celsius en degrés Kelvin : K        = °C + 273.15
Degrés Celsius en degrés Fahrenheit : °F       = °C * 1.8 + 32

                                        

Exemple:     10 °C ®  283,15 K ®  50°F

En calculant les températures dans des rapports, des communications et des écrits, nous désignons une température spécifique à l’aide de la lettre grecque J ( “theta").

Ainsi, par exemple, J = 7 °C. On écrit aussi souvent t = 7°C. Quand seule la température est impliquée, c’est acceptable. Cependant, dès que le temps « t » entre dans un raisonnement, une formule ou un calcul, la possibilité d’erreur augmente.

Si nous devons définir plusieurs températures spécifiques, alors J reçoit des lettres en indice. Ce sont normalement les premières lettres du terme à distinguer :

JAM (theta ambiant), J EX  (theta température extérieure)

Les différentes températures d’une pièce, de la chaudière ou d’une surface sont numérotées (fig. 4-4).

La température moyenne de ces températures est désignée Jm

Une différence de température est désignée DJ (delta theta) en Kelvin.

Fig. 4-4 Numérotation des différentes températures dans le même objet