La première loi de la thermodynamique nous dit que la quantité d’énergie dans l’univers est constante et ne peut être ni détruite ni créée.
L’évolution de la univers Il s’agit donc d’une transformation constante de l’énergie d’une forme à une autre. Mais peu importe combien étoiles et les planètes que l’univers crée, combien de civilisations surgissent sur ces planètes, il y aura toujours la même quantité d’énergie qu’il y avait une seconde après la Big Bang.
La transformation énergétique est ce qui fait fonctionner notre monde. Les humains et les animaux transforment l’énergie chimique de la nourriture qu’ils mangent en énergie cinétique de leur mouvement et de leur action et en énergie des processus chimiques dans leurs cellules. Les plantes vertes absorbent l’énergie du soleil et la transformer en énergie chimique sous forme d’oxygène et de sucres qui accumulent leurs tissus – dans un processus connu sous le nom de photosynthèse. Les centrales solaires utilisent la même lumière solaire pour produire de l’électricité. Le soleil qui nous maintient tous en vie brûle de l’hydrogène dans son noyau pour produire la lumière et la chaleur dont nous avons besoin, dissipant son énergie lentement et progressivement dans l’espace environnant.
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Histoire de la première loi de la thermodynamique
La première loi de la thermodynamique, cependant, n’est pas née de l’étude de l’univers, mais des efforts des scientifiques des XVIIe et XVIIIe siècles pour comprendre la nature de la chaleur, selon le physicien Stephen Wolfram. Diverses idées ont été émises, notamment que la chaleur pourrait être une substance fluide ou le résultat de particules microscopiques qui composent la matière que nous voyons. Au début du 19e siècle, les scientifiques se sont mis d’accord sur le fait que la chaleur est une forme d’énergie.
A cette époque, le machine à vapeur était une nouvelle technologie en vogue, reposant sur la chaleur pour transformer l’eau en vapeur qui pouvait ensuite mettre en mouvement des engins mécaniques complexes capables d’effectuer toutes sortes de tâches, de la propulsion de locomotives à l’alimentation d’équipements d’usine. De nombreux cerveaux doués de l’époque se sont donc occupés de la question de savoir comment rendre cette technologie dépendante de la chaleur plus efficace.
La première personne à jeter les bases de ce qui deviendra plus tard la première loi de la thermodynamique fut le physicien allemand Rudolf Clausius, selon Université St. Andrews. En 1850, Clausius publie un article qui le rendra célèbre. Le nom du journal est un peu long : “De la force motrice de la chaleur et des lois de la chaleur qui peuvent en être déduites.”
Dans cet article, Clausius déclare que « dans tous les cas où le travail est produit par l’action de la chaleur, une quantité de chaleur est consommée qui est proportionnelle au travail effectué ; et inversement, par la dépense d’une quantité égale de travail, une quantité égale de quantité de chaleur est produite.”
La machine à vapeur et la première loi de la thermodynamique
Mais que signifie exactement la déclaration de Clausius ? Jetons un coup d’œil à la bonne vieille machine à vapeur.
Une machine à vapeur se compose d’une chambre avec un piston mobile. La chambre peut contenir de l’eau ou du gaz. Lorsque la chambre est chauffée à l’aide d’une source de chaleur externe, le gaz à l’intérieur se dilate (l’eau se transforme en vapeur), la chaleur croissante provoque une plus grande expansion du gaz, ce qui provoque alors le déplacement du piston. Le piston à l’extérieur du moteur produit alors un travail utile (comme la mise en mouvement des roues d’une locomotive).
A l’inverse, en appliquant une force extérieure sur le piston, on peut comprimer le gaz à l’intérieur, ce qui le ferait s’échauffer. Dans les deux cas, la quantité de chaleur utilisée ou générée serait égale à la quantité de travail appliquée ou fournie. L’énergie totale du moteur et de son environnement restera constante.
La première loi de la thermodynamique peut être capturée par l’équation suivante : ∆U = Q — Woù ∆U est la variation de l’énergie interne, Q est la chaleur ajoutée au système, et O est le travail effectué par le système.
L’énergie totale du système est égale à la chaleur fournie moins la quantité de travail effectuée. Le travail et la chaleur sont les processus qui ajoutent ou soustraient de l’énergie.
Thermodynamique et rôle de la chaleur
La discipline issue des travaux de Clausius et d’autres physiciens de cette époque, dont le Britannique William Thomson (plus tard connu sous le nom de premier baron Kelvin) et le Français Sadi Carnot, est devenue connue sous le nom de thermodynamique. La chaleur joue un rôle central dans la thermodynamique, agissant comme la force qui transforme l’énergie de sa forme brute (pensez au charbon, par exemple) en travail mécanique réel (le mouvement d’une locomotive).
La thermodynamique étudie non seulement la relation entre la chaleur et le travail mécanique, mais aussi le rôle de la température, du volume et de la pression dans l’échange d’énergie.
Un système thermodynamique a ses enthalpiequi est la somme de son énergie interne combinée aux effets de sa pression et de son volume, selon la NASA.
Entropie est la mesure de la capacité du système à effectuer un travail, en fonction de son ordre. Essentiellement, les systèmes diffèrent dans la quantité de travail qu’ils peuvent effectuer par unité d’énergie thermique en fonction de leur organisation.
La dite Énergie libre de Helmholtz d’un système thermodynamique décrit la quantité de travail “utile” qu’un système thermodynamique fermé peut produire à température et volume constants.
le Énergie libre de Gibbsd’autre part, décrit le travail réversible maximal pouvant être effectué par un système thermodynamique à température et pression constantes.
Ces quatre qualités plus l’énergie sont utilisées pour décrire les propriétés de tous les systèmes thermodynamiques.
Systèmes thermodynamiques
Il existe trois types de systèmes en thermodynamique : fermés, isolés et ouverts.
Les systèmes isolés n’existent essentiellement pas. Le seul système vraiment isolé étant l’univers lui-même.
Les systèmes fermés ont l’intention d’être aussi isolés que possible de leur environnement et n’échangent que de l’énergie, mais pas de matière, avec leur environnement. Une machine à vapeur serait un système fermé, mais ce serait aussi une bouteille isotherme refroidissante avec du thé ou un nain blanc étoile perdant progressivement de la chaleur dans le vide de l’espace.
Tous les organismes vivants sont des systèmes ouverts, échangeant à la fois de l’énergie (chaleur) et de la matière (nourriture, transpiration, air) avec leur environnement.
Ressources supplémentaires
En savoir plus sur la première loi de la thermodynamique sur notre site sœur Sciences en direct. Ou regarde ça vidéo amusante par l’Institution Royale. Explorez les trois lois de la thermodynamique avec le site Web éducatif Apprentissage de la lumière.
Bibliographie
Smith, CW, William Thomson et la création de la thermodynamique : 1840-1855, Histoire des sciences exactes, Springer, 1977
https://www.jstor.org/stable/41133471
Hareesh, T. et al., Première loi de la thermodynamique et émergence de l’espace cosmique dans un univers non plat, Journal of Cosmology and Astroparticule Physics, décembre 2019 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2019/12/024
Zohuri, B., Première loi de la thermodynamique, Chimie physique, 2017 https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/first-law-of-thermodynamics
Britannica, La première loi de la thermodynamique https://www.britannica.com/science/thermodynamics/The-second-law-of-thermodynamics
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