La thermodynamique est une branche de la physique qui étudie les processus par lesquels l'énergie thermique peut changer de forme. Souvent, les gaz idéaux sont spécifiquement étudiés car, non seulement ils sont beaucoup plus simples à comprendre, mais de nombreux gaz peuvent être estimés comme idéaux.

Un état thermodynamique particulier est défini par des variables d'état. Il s'agit notamment de la pression, du volume et de la température. En étudiant les processus par lesquels un système thermodynamique passe d'un état à un autre, vous pouvez acquérir une compréhension plus approfondie de la physique sous-jacente.

Plusieurs processus thermodynamiques idéalisés décrivent comment les états d'un gaz idéal peuvent subir des changements. Le processus adiabatique n'est que l'un d'entre eux.
Variables d'état, fonctions d'état et fonctions de processus

L'état d'un gaz idéal à un moment donné peut être décrit par les variables d'état pression, volume et température . Ces trois quantités sont suffisantes pour déterminer l'état actuel du gaz et ne dépendent pas du tout de la façon dont le gaz a obtenu son état actuel.

D'autres quantités, telles que l'énergie interne et l'entropie, sont fonction de ces variables d'état . Encore une fois, les fonctions d'état ne dépendent pas non plus de la façon dont le système est entré dans son état particulier. Ils ne dépendent que des variables décrivant l'état dans lequel il se trouve actuellement.

Les fonctions de processus, en revanche, décrivent un processus. La chaleur et le travail sont des fonctions de processus dans un système thermodynamique. La chaleur n'est échangée que lors d'un changement d'un état à un autre, tout comme le travail ne peut être effectué que lorsque le système change d'état.
Qu'est-ce qu'un processus adiabatique?

Un processus adiabatique est un processus thermodynamique qui se produit sans transfert de chaleur entre le système et son environnement. En d'autres termes, l'état change, le travail peut être effectué sur ou par le système pendant ce changement, mais aucune énergie thermique n'est ajoutée ou supprimée.

Puisqu'aucun processus physique ne peut se produire instantanément et qu'aucun système ne peut vraiment être parfaitement isolé, un état parfaitement adiabatique ne peut jamais être atteint dans la réalité. Cependant, il peut être approximé et beaucoup peut être appris en l'étudiant.

Plus un processus se produit rapidement, plus il peut être proche de l'adiabatique car moins il y aura de temps pour un transfert de chaleur.
Processus adiabatiques et première loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique stipule que le changement d'énergie interne d'un système est égal à la différence de chaleur ajoutée au système et au travail effectué par le système. Sous forme d'équation, c'est:
\\ Delta E \u003d QW

Où E
est l'énergie interne, Q
est la chaleur ajoutée au système et W
est le travail effectué par le système.

Puisqu'il n'y a pas de chaleur échangée dans un processus adiabatique, alors il doit être le cas que:
\\ Delta E \u003d -W

Dans d'autres En d'autres termes, si l'énergie quitte le système, elle est le résultat du travail du système et si l'énergie pénètre dans le système, elle résulte directement du travail effectué sur le système.
Expansion et compression adiabatiques

Lorsqu'un le système se dilate de façon adiabatique, le volume augmente sans échange de chaleur. Cette augmentation de volume constitue un travail du système sur l'environnement. Par conséquent, l'énergie interne doit diminuer. L'énergie interne étant directement proportionnelle à la température du gaz, cela signifie que le changement de température sera négatif (la température chute).

D'après la loi du gaz idéal, vous pouvez obtenir l'expression de pression suivante:
P \u003d \\ frac {nRT} {V}

Où n
est le nombre de moles, R
est la constante de gaz idéale, T
est température et V
est le volume.

Pour l'expansion adiabatique, la température baisse tandis que le volume augmente. Cela signifie que la pression devrait également baisser car, dans l'expression ci-dessus, le numérateur diminuerait tandis que le dénominateur augmenterait.

En compression adiabatique, l'inverse se produit. Puisqu'une diminution de volume indique un travail effectué sur le système par l'environnement, cela entraînerait un changement positif d'énergie interne correspondant à une élévation de température (température finale plus élevée).

Si la température augmente alors que le volume diminue , puis la pression augmente également.

Un exemple qui illustre un processus approximativement adiabatique souvent montré dans les cours de physique est le fonctionnement d'une seringue d'incendie. Une seringue d'incendie se compose d'un tube isolé qui est fermé à une extrémité et qui contient un piston à l'autre extrémité. Le piston peut être poussé vers le bas pour comprimer l'air dans le tube.

Si un petit morceau de coton ou autre matériau inflammable est placé dans le tube à température ambiante, puis le piston est poussé très rapidement, le l'état du gaz dans le tube changera avec un minimum de chaleur échangée avec l'extérieur. L'augmentation de la pression dans le tube qui se produit lors de la compression provoque une augmentation spectaculaire de la température à l'intérieur du tube, suffisamment pour que le petit morceau de coton brûle.
Diagrammes PV

A pression-volume
Le diagramme (PV) est un graphique qui représente le changement d'état d'un système thermodynamique. Dans un tel diagramme, le volume est tracé sur l'axe x
, et la pression est tracé sur l'axe y
. Un état est indiqué par un point ( x, y
) correspondant à une pression et un volume particuliers. (Remarque: la température peut être déterminée à partir de la pression et du volume en utilisant la loi des gaz parfaits.)

Comme l'état passe d'une pression et d'un volume particuliers à une autre pression et à un autre volume, une courbe peut être tracée sur le diagramme indiquant comment le changement d'état s'est produit. Par exemple, un processus isobare (dans lequel la pression reste constante) ressemblerait à une ligne horizontale sur un diagramme P-V. D'autres courbes peuvent être tracées reliant le point de départ et le point d'arrivée, et entraîneraient par conséquent différentes quantités de travail. C'est pourquoi la forme du chemin sur le diagramme est pertinente.

Un processus adiabatique apparaît comme une courbe qui obéit à la relation:
P \\ propto \\ frac {1} {V ^ c}

où c
est le rapport des chaleurs spécifiques c _{p /c v ( c p
est la chaleur spécifique du gaz à pression constante, et c v
est la chaleur spécifique pour un volume constant). Pour un gaz monatomique idéal, c
\u003d 1,66, et pour l'air, qui est principalement un gaz diatomique, c
\u003d 1,4
Processus adiabatiques dans les moteurs thermiques}

Les moteurs thermiques sont des moteurs qui convertissent l'énergie thermique en énergie mécanique via un cycle complet d'une certaine sorte. Sur un diagramme PV, un cycle de moteur thermique formera une boucle fermée, avec l'état du moteur se terminant là où il a commencé, mais effectuant un travail en cours pour y arriver.

De nombreux processus ne fonctionnent que dans une seule direction. ; cependant, les processus réversibles fonctionnent aussi bien en avant qu'en arrière sans enfreindre les lois de la physique. Un processus adiabatique est un type de processus réversible. Cela le rend particulièrement utile dans un moteur thermique car cela signifie qu'il ne convertit aucune énergie en une forme irrécupérable.

Dans un moteur thermique, le travail total effectué par le moteur est la zone contenue dans la boucle de le cycle.
Autres processus thermodynamiques

D'autres processus thermodynamiques abordés plus en détail dans d'autres articles comprennent:

Les processus isobares, qui se produisent à pression constante. Celles-ci ressembleront à des lignes horizontales sur un diagramme P-V. Le travail effectué dans un processus isobare est égal à la valeur de pression constante multipliée par la variation de volume.

Processus isochorique, qui se produit à volume constant. Celles-ci ressemblent à des lignes verticales sur un diagramme P-V. Étant donné que le volume ne change pas au cours de ces processus, aucun travail n'est effectué.

Les processus isothermes se produisent à température constante. Comme les processus adiabatiques, ceux-ci sont réversibles. Cependant, pour qu'un processus soit parfaitement isotherme, il doit maintenir un équilibre constant, ce qui signifierait qu'il devrait se produire infiniment lentement, contrairement à l'exigence instantanée d'un processus adiabatique.