Les lois de la thermodynamique sont parmi les lois les plus importantes de toute la physique, et comprendre comment appliquer chacune d'elles est une compétence cruciale pour tout étudiant en physique.

La première loi de la thermodynamique est essentiellement un énoncé de la conservation de l'énergie, mais il existe de nombreuses utilisations pour cette formulation spécifique que vous devrez comprendre si vous voulez résoudre des problèmes impliquant des choses comme les moteurs thermiques.

Apprentissage ce que sont les processus adiabatiques, isobares, isochores et isothermes et comment appliquer la première loi de la thermodynamique dans ces situations, vous aide à décrire mathématiquement le comportement d'un système thermodynamique au fur et à mesure de son évolution dans le temps.
Énergie interne, travail et chaleur

La première loi de la thermodynamique - comme les autres lois de la thermodynamique - nécessite une compréhension de certains termes clés. L'énergie interne d'un système
est une mesure de l'énergie cinétique totale et de l'énergie potentielle d'un système isolé de molécules; intuitivement, cela ne fait que quantifier la quantité d'énergie contenue dans le système.

Le travail thermodynamique
est la quantité de travail qu'un système fait sur l'environnement, par exemple, par l'expansion induite par la chaleur de un gaz poussant un piston vers l'extérieur. Ceci est un exemple de la façon dont l'énergie thermique dans un processus thermodynamique peut être convertie en énergie mécanique, et c'est le principe de base derrière le fonctionnement de nombreux moteurs.

À son tour, chaleur
ou < em> énergie thermique
est le transfert d'énergie thermodynamique entre deux systèmes. Lorsque deux systèmes thermodynamiques sont en contact (non séparés par un isolant) et sont à des températures différentes, le transfert de chaleur se produit de cette manière, du corps le plus chaud vers le plus froid. Ces trois quantités sont toutes des formes d'énergie, et sont donc mesurées en joules.
La première loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique stipule que la chaleur ajoutée au système ajoute à son énergie interne, tandis que le travail effectué par le système réduit l'énergie interne. Dans les symboles, vous utilisez ∆U
pour indiquer le changement d'énergie interne, Q
pour le transfert de chaleur et W
pour le travail effectué par le système, et donc la première loi de la thermodynamique est:
∆U \u003d Q - W

La première loi de la thermodynamique relie donc l'énergie interne du système à deux formes de transfert d'énergie qui peuvent avoir lieu, et en tant que telle, il vaut mieux penser en tant qu'énoncé de la loi de conservation de l'énergie.

Toute modification de l'énergie interne du système provient du transfert de chaleur ou du travail effectué, avec le transfert de chaleur vers
le système et le travail fait sur
le système en augmentant l'énergie interne, et le transfert de chaleur depuis
le système et le travail effectué en
réduisant l'énergie interne. L'expression elle-même est facile à utiliser et à comprendre, mais trouver des expressions valides pour le transfert de chaleur et le travail effectué pour l'utiliser dans l'équation peut être difficile dans certains cas.
Exemple de la première loi de la thermodynamique

Chaleur les moteurs sont un type courant de système thermodynamique qui peut être utilisé pour comprendre les bases de la première loi de la thermodynamique. Les moteurs thermiques convertissent essentiellement le transfert de chaleur en travail utilisable grâce à un processus en quatre étapes qui consiste à ajouter de la chaleur à un réservoir de gaz pour augmenter sa pression, augmentant ainsi en volume, la pression diminuant à mesure que la chaleur est extraite du gaz et enfin le gaz étant comprimé (c'est-à-dire réduit en volume) au fur et à mesure que l'on y travaille pour le ramener à l'état d'origine du système et recommencer le processus.

Ce même système est souvent idéalisé comme < em> Cycle de Carnot
, dans lequel tous les processus sont réversibles et n'impliquent aucun changement d'entropie, avec un stade d'expansion isotherme (c'est-à-dire à la même température), un stade d'expansion adiabatique (sans transfert de chaleur), une étape de compression isotherme et une étape de compression adiabatique pour la ramener à son état d'origine.

Ces deux processus (le cycle de Carnot idéalisé et le cycle du moteur thermique) sont généralement tracés sur un PV
diagramme (également appelé tracé pression-volume), et t Ces deux quantités sont liées par la loi du gaz idéal, qui stipule:
PV \u003d nRT

Où P
\u003d pression, V
\u003d volume, n
\u003d le nombre de moles de gaz, R
\u003d la constante de gaz universelle \u003d 8,314 J mol ^{-1 K -1 et T
\u003d température. En combinaison avec la première loi de la thermodynamique, cette loi peut être utilisée pour décrire les étapes d'un cycle de moteur thermique. Une autre expression utile donne l'énergie interne U
pour un gaz idéal:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT Le cycle du moteur thermique}

Une approche simple pour analyser la chaleur le cycle du moteur consiste à imaginer le processus se déroulant sur une boîte rectiligne dans le tracé PV
, chaque étape se déroulant soit à une pression constante (un processus isobare) soit à un volume constant (un processus isochore) .

Tout d'abord, à partir de V
_{1, de la chaleur est ajoutée et la pression monte de P
1 à P
2, et comme le volume reste constant, vous savez que le travail effectué est nul. Pour aborder cette étape du problème, vous créez deux versions de la loi des gaz parfaits pour le premier et le deuxième état (en vous rappelant que V
et n
sont constants): P
1 V
1 \u003d nRT
1 et P
2 V
1 \u003d nRT
2, puis soustrayez le premier de la seconde pour obtenir:
V_1 (P_2-P_1) \u003d nR (T_2 -T_1)}

Résolution du changement de la température donne:
(T_2 - T_1) \u003d \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}

Si vous recherchez le changement d'énergie interne, vous pouvez ensuite l'insérer dans l'expression d'énergie interne < em> U
pour obtenir:
\\ begin {aligné} ∆U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} nR \\ bigg ( \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} V_1 (P_2 -P_1) \\ end {aligné}

Pour la deuxième étape du cycle, le volume du gaz se dilate (et donc le gaz fonctionne) et plus de chaleur est ajoutée dans le processus (pour maintenir une température constante). Dans ce cas, le travail W
effectué par le gaz est simplement la variation de volume multipliée par la pression P
_{2, ce qui donne:
W \u003d P_2 (V_2 -V_1)}

Et le changement de température est trouvé avec la loi du gaz idéal, comme avant (sauf en gardant P
_{2 comme constante et en se souvenant que le volume change), pour être:
T_2 - T_1 \u003d \\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}}

Si vous souhaitez connaître la quantité exacte de chaleur ajoutée, vous pouvez utiliser l'équation de chaleur spécifique à une pression constante pour la trouver. Cependant, vous pouvez calculer directement l'énergie interne du système à ce point comme précédemment:
\\ begin {aligné} ∆U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac { 3} {2} nR \\ bigg (\\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} P_2 (V_2 - V_1) \\ end {aligné}

Le troisième étage est essentiellement l'inverse du premier étage, donc la pression diminue à volume constant (cette fois V
_{2), et la chaleur est extraite du gaz. Vous pouvez suivre le même processus basé sur la loi des gaz parfaits et l'équation de l'énergie interne du système pour obtenir:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)}

Notez le signe moins en tête cette fois parce que la température (et donc l'énergie) a diminué.

Enfin, la dernière étape voit le volume diminuer à mesure que l'on travaille sur le gaz et la chaleur extraits dans un processus isobare, produisant une expression très similaire à la dernière fois pour le travail, sauf avec un signe moins en tête:
W \u003d -P_1 (V_2 -V_1)

Le même calcul donne la variation d'énergie interne comme:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1) Autres lois de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique est sans doute la plus pratique pour un physicien, mais les trois autres lois majeures méritent un bref rappel mentionner aussi (bien qu'ils soient traités plus en détail dans d'autres articles). La loi zéro de la thermodynamique stipule que si le système A est en équilibre thermique avec le système B, et que le système B est en équilibre avec le système C, alors le système A est en équilibre avec le système C.

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie de tout système fermé a tendance à augmenter.

Enfin, la troisième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie d'un système s'approche d'une valeur constante lorsque la température approche du zéro absolu.