Comprendre ce que sont les différents processus thermodynamiques et comment vous utilisez la première loi de la thermodynamique avec chacun est crucial lorsque vous commencez à considérer les moteurs thermiques et les cycles de Carnot.

Beaucoup de processus sont idéalisés, donc pendant qu'ils ne reflètent pas avec précision la façon dont les choses se produisent dans le monde réel, ce sont des approximations utiles qui simplifient les calculs et permettent de tirer plus facilement des conclusions. Ces processus idéalisés décrivent comment les états d'un gaz idéal peuvent subir des changements.

Le processus isotherme n'est qu'un exemple, et le fait qu'il se produit à une seule température par définition simplifie considérablement le travail avec la première loi de la thermodynamique lorsque vous calculez des choses comme les processus des moteurs thermiques.
Qu'est-ce qu'un processus isotherme?

Un processus isotherme est un processus thermodynamique qui se produit à une température constante. L'avantage de travailler à température constante et avec un gaz idéal est que vous pouvez utiliser la loi de Boyle et la loi du gaz idéal pour relier la pression et le volume. Ces deux expressions (car la loi de Boyle est l'une des nombreuses lois qui ont été incorporées dans la loi des gaz parfaits) montrent une relation inverse entre la pression et le volume. La loi de Boyle implique que:
P_1V_1 \u003d P_2V_2

où les indices désignent la pression ( P
) et le volume ( V
) au temps 1 et la pression et le volume au temps 2. L'équation montre que si le volume double, par exemple, la pression doit être réduite de moitié afin de maintenir l'équation équilibrée, et vice versa. La loi du gaz idéal complet est PV
\u003d nRT
, où n
est le nombre de moles de gaz, R
est le gaz universel constante et T
est la température. Avec une quantité fixe de gaz et une température fixe, PV
doit prendre une valeur constante, ce qui conduit au résultat précédent.

Sur un diagramme pression-volume (PV), qui est un tracé de la pression en fonction du volume souvent utilisé pour les processus thermodynamiques, un processus isotherme ressemble au graphique de y
\u003d 1 / x
, se courbant vers le bas vers sa valeur minimale.

Un point qui déroute souvent les gens est la distinction entre isotherme
et adiabatique
, mais décomposer le mot en ses deux parties peut vous aider à vous en souvenir. "Iso" signifie égal et "thermique" se réfère à la chaleur de quelque chose (c'est-à-dire, sa température), donc "isotherme" signifie littéralement "à une température égale". Les processus adiabatiques n'impliquent pas de transfert de chaleur
, mais le la température du système change souvent au cours de ceux-ci.
Processus isothermes et première loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique stipule que le changement d'énergie interne ( ∆U
) pour une système est égal à la chaleur ajoutée au système ( Q
) moins le travail effectué par le système ( W
), ou en symboles:
∆U \u003d Q - W

Lorsque vous avez affaire à un processus isotherme, vous pouvez utiliser le fait que l'énergie interne est directement proportionnelle à la température à côté de cette loi pour tirer une conclusion utile. L'énergie interne d'un gaz idéal est:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT

Cela signifie que pour une température constante, vous avez une énergie interne constante. Donc, avec ∆U
\u003d 0, la première loi de la thermodynamique peut facilement être réorganisée pour:
Q \u003d W

Ou, en d'autres termes, la chaleur ajoutée au système est égale à la travail effectué par le système, ce qui signifie que la chaleur ajoutée est utilisée pour effectuer le travail. Par exemple, dans l'expansion isotherme, de la chaleur est ajoutée au système, ce qui le fait se dilater, en travaillant sur l'environnement sans perdre d'énergie interne. Dans une compression isotherme, l'environnement fonctionne sur le système et fait perdre au système cette énergie sous forme de chaleur.
Processus isothermes dans les moteurs thermiques

Les moteurs thermiques utilisent un cycle complet de processus thermodynamiques pour convertir la chaleur l'énergie en énergie mécanique, généralement en déplaçant un piston lorsque le gaz dans le moteur thermique se dilate. Les processus isothermes sont un élément clé de ce cycle, l'énergie thermique ajoutée étant complètement convertie en travail sans aucune perte.

Cependant, c'est un processus hautement idéalisé, car dans la pratique, il y aura toujours de l'énergie perdue lorsque l'énergie thermique est convertie en travail. Pour que cela fonctionne en réalité, il faudrait un temps infini pour que le système puisse rester en équilibre thermique avec son environnement à tout moment.

Les processus isothermes sont considérés comme des processus réversibles, car si vous '' Si vous avez terminé un processus (par exemple, une expansion isotherme), vous pouvez exécuter le même processus en sens inverse (une compression isotherme) et ramener le système à son état d'origine. Essentiellement, vous pouvez exécuter le même processus vers l'avant ou vers l'arrière dans le temps sans enfreindre aucune loi de la physique.

Cependant, si vous tentiez cela dans la vie réelle, la deuxième loi de la thermodynamique signifierait une augmentation de l'entropie pendant le processus "vers l'avant", de sorte que celui "vers l'arrière" ne ramènerait pas complètement le système à son état d'origine.

Si vous tracez un processus isotherme sur un diagramme PV, le travail effectué pendant le processus est égal à la zone sous la courbe. Bien que vous puissiez calculer le travail effectué de manière isotherme de cette manière, il est souvent plus facile d'utiliser simplement la première loi de la thermodynamique et le fait que le travail effectué est égal à la chaleur ajoutée au système.
Autres expressions pour le travail effectué en isotherme Processus

Si vous effectuez des calculs pour un processus isotherme, vous pouvez utiliser deux autres équations pour trouver le travail effectué. Le premier est:
W \u003d nRT \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)

Où V
_{f est le volume final et V
i est le volume initial. En utilisant la loi des gaz parfaits, vous pouvez remplacer la nRT
par la pression et le volume initiaux ( P
i et V
i) par nRT
équation à obtenir:
W \u003d P_iV_i \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)}

Il peut être plus facile dans la plupart des cas de travailler grâce à la chaleur ajoutée, mais si vous ne disposez que d'informations concernant la pression, le volume ou la température, l'une de ces équations pourrait simplifier le problème. Puisque le travail est une forme d'énergie, son unité est le joule (J).
Autres processus thermodynamiques

Il existe de nombreux autres processus thermodynamiques, et beaucoup d'entre eux peuvent être classés de manière similaire aux processus isothermes , sauf que les quantités autres que la température sont constantes tout au long. Un processus isobare est celui qui se produit à une pression constante, et pour cette raison, la force exercée sur les parois du récipient est constante, et le travail effectué est donné par W
\u003d P∆V
.

Pour le gaz subissant une expansion isobare, il doit y avoir un transfert de chaleur afin de maintenir la pression constante, et cette chaleur modifie l'énergie interne du système ainsi que le travail.

Un processus isochore se déroule à volume constant. Cela vous permet de simplifier la première loi de la thermodynamique, car si le volume est constant, le système ne peut pas travailler sur l'environnement. En conséquence, le changement d'énergie interne du système est entièrement dû à la chaleur transférée.

Un processus adiabatique est un processus qui se produit sans échange de chaleur entre le système et l'environnement. Cela ne signifie pas pour autant qu'il n'y a pas de changement de température dans le système, car le processus pourrait entraîner une augmentation ou une diminution de la température sans transfert direct de chaleur. Cependant, sans transfert de chaleur, la première loi montre que tout changement d'énergie interne doit être dû au travail effectué sur le système ou par le système, car il définit Q
\u003d 0 dans l'équation.