Ce terme est beaucoup plus courant dans la physique. Etymologiquement, c’est la composition de deux mots : « thermo » et « dynamique ». Le préfixe se rapporte à la chaleur tandis que le suffixe, à la mécanique. La thermodynamique est alors une discipline concernant le rapport entre ces deux éléments.
La genèse de la thermodynamique
Cette discipline a été conçue par Sadi Carnot, un physicien et ingénieur français. Il a entamé les premiers travaux dans ce sens au début du XIXème siècle. Ce scientifique a notamment étudié les machines thermiques. Après ce parcours mené par Carnot, plusieurs principes se sont créés, en dehors de la physique. La chimie, la biologie ou l’électromagnétisme ont suivi la discipline thermodynamique.
Carnot est le premier scientifique à avoir établi la thermodynamique en 1831. D’autres chercheurs viendront par la suite perpétuer la discipline. James Prescott Joule est un physicien anglais. En 1842, il a mené des études sur la relation entre le travail mécanique et l’énergie électrique. 3 ans après, le physicien allemand, Von Mayer, s’exprime lui aussi sur le principe de la thermodynamique. Carnot y revient par la suite en menant l’expérience sur l’entropie ou fonction exprimant le désordre d’un système. Le scientifique français affirme que cette dernière est nécessaire dans la thermodynamique. Ces nombreuses expériences se sont également étendues sur d’autres disciplines en mettant à l’honneur l’évolution de l’univers. On peut alors dire que la thermodynamique nous permet de comprendre le monde, à travers le rapport entre la chaleur, les réactions chimiques et le mouvement. Par ailleurs, en cernant l’évolution des molécules physiques ou chimiques, on peut y prévoir les situations.
Les principes de la thermodynamique
La thermodynamique possède deux principes. Le premier évoque la conservation énergétique pour analyser le système par rapport au milieu extérieur. Ce principe n’indique pas l’effet de l’échange énergétique. A contrario, le deuxième principe de la thermodynamique explique cet échange énergétique et présente l’irréversibilité d’un phénomène physique. Avec ce dernier, on parle plus de quantité de chaleur qui ne peut normalement être amenée d’une source froide à une source chaude.
Les 4 lois fondamentales en thermodynamique
- La loi de Gay Lussac
Cette loi, signée Louis Joseph Gay Lussac, un chimiste et physicien, affirme que la pression de gaz est proportionnelle à sa température pour une quantité de gaz donnée. La loi de Gay Lussac est bénéfique pour le circuit frigorifique. Elle permet effectivement d’observer son étanchéité. Pour ce faire, on met l’azote dans une installation. A deux reprises, espacées de 24 heures, on relève la température et la pression. Si le rapport des paramètres est le même pour ces deux reprises, on peut justifier l’étanchéité du circuit. - La loi de Charles
Le physicien français Jacques Charles précise que la température permet de varier le volume d’une quantité de gaz, ceci à une pression de gaz constante. La température augmentera alors en même temps que le volume de la quantité de gaz et vice versa. Ce principe est appliqué chez les montgolfières où l’air est chauffé dans une enveloppe restreinte. L’aérostat s’élève lorsque le volume de l’air augmente et que la masse volumique réduit. - La loi Dalton
La loi du physicien britannique John Dalton précise que la pression totale sur un mélange de gaz est égale à la somme des pressions partielles de chaque gaz du mélange. - La loi de Boyle-Mariotte
La loi de Boyle-Mariotte est le fruit d’une collaboration entre Robert Boyle, physicien et chimiste irlandais et Edme Mariotte, physicien et botaniste français. Les deux scientifiques affirment que le volume d’une masse gazeuse est proportionnel à la pression, si la température est constante.
C’est le cas, par exemple, d’un verre. On le retourne pour le plonger dans une eau à température constante. Plus ce verre pénètre au fond de l’eau, plus le volume va diminuer et la pression augmenter.
Autre cas avec le ballon. En le gonflant, la pression augmente, et lorsqu’on réduira son volume, la pression va augmenter.
La chaleur et la température en thermodynamique
Si on caractérise habituellement la chaleur par notre propre perception, il n’en est aucunement en thermodynamique. Cette sensation n’est due qu’aux cellules nerveuses humaines. En thermodynamique, cette chaleur s’explique par des principes physiques. C’est une énergie où les atomes des molécules sont en mouvement. En d’autres termes, ce sont les mouvements et déplacements de ces molécules qui produisent de la chaleur.
Quant à la température, elle nous donne une valeur précise à travers des études sur la forme d’énergie thermodynamique. La température sert à établir le degré d’excitation des molécules d’un corps. Un atome agité produit alors un mouvement important, ce qui va générer la chaleur.
En thermodynamique, le point origine est le zéro absolu – 273,15 °C. Les agitations des particules sont alors minimes et ces dernières ne peuvent être refroidies. Cependant, dans la vie quotidienne, on mesure la température à l’échelle du degré Celsius, qui correspond à la température de la glace fondante.