Thermodynamique
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Thermodynamique (du grec θερμη, therme, qui signifie « chaleur »et δυναμις, dunamis, sens" pouvoir ") est une branche de la physique et est largement utilisé dans la chimie . Thermodynamique étudie les effets des changements dans la température , la pression et le volume de systèmes physiques à la échelle macroscopique en analysant le mouvement collectif de leurs particules en utilisant les statistiques . En gros, la chaleur signifie "énergie en transit» et la dynamique se rapporte à «mouvement»; Ainsi, en thermodynamique essence étudie le mouvement de l'énergie et comment l'énergie insuffle mouvement. Historiquement, la thermodynamique développé par nécessité d'augmenter la l'efficacité des premiers moteurs à vapeur .
Le point de départ de la plupart des considérations thermodynamiques sont les lois de la thermodynamique, qui postulent que l'énergie peuvent être échangés entre les systèmes physiques comme la chaleur ou le travail . Ils postulent également l'existence d'une quantité appelée entropie , qui peut être définie pour chaque système. En thermodynamique, les interactions entre les grands ensembles d'objets sont étudiés et classés. Au centre de ce sont les concepts de système et environnement. Un système est composé de particules, dont les mouvements moyenne définir ses propriétés, qui à leur tour sont liés les uns aux autres par le biais équations d'état. Les propriétés peuvent être combinées pour exprimer l'énergie et potentiels thermodynamiques, qui sont utiles pour la détermination des conditions pour équilibre et processus spontanés.
Avec ces outils, la thermodynamique décrit comment les systèmes répondent aux changements dans leur environnement. Ceci peut être appliqué à une grande variété de sujets dans la science et l'ingénierie , tels que moteurs, les transitions de phase, réactions chimiques , phénomènes de transport, et même des trous noirs . Les résultats de la thermodynamique sont indispensables pour d'autres domaines de la physique et la chimie , génie chimique, génie aérospatial, génie mécanique , la biologie cellulaire, génie biomédical, la science des matériaux , et de l'économie pour ne en nommer que quelques-uns.
Histoire
L'histoire de la thermodynamique comme une discipline scientifique commence généralement par Otto von Guericke, qui en 1650 a construit et conçu le premier au monde pompe à vide et créé première au monde vide (connu sous le nom Hémisphères de Magdebourg). Guericke a été conduit à faire un vide afin de réfuter Aristote 'hypothèse de longue date s que «la nature a horreur du vide». Peu de temps après Guericke, le physicien irlandais et chimiste Robert Boyle avait appris des desseins de Guericke et en 1656, en coordination avec le scientifique anglais Robert Hooke, construit une pompe à air. L'utilisation de cette pompe, Boyle et Hooke noté une corrélation entre la pression, la température et le volume. À l'heure, La loi de Boyle a été formulée, qui stipule que la pression et le volume sont inversement proportionnelles. Puis, en 1679, sur la base de ces concepts, un associé de Boyle nommé Denis Papin construit un digesteur osseuse, qui était un récipient fermé avec un couvercle hermétique qui limite la vapeur jusqu'à une pression élevée a été généré.
Conceptions plus tard mis en œuvre une soupape de décharge de vapeur qui a gardé la machine d'exploser. En regardant la vanne rythmiquement monter et descendre, Papin conçu l'idée d'un piston et un moteur de cylindre. Il n'a pas, cependant, suivre à travers avec son design. Néanmoins, en 1697, sur la base des modèles de Papin, ingénieur Thomas Savery a construit le premier moteur. Bien que ces premiers moteurs étaient rudimentaires et inefficaces, ils ont attiré l'attention des principaux scientifiques de l'époque. Parmi ces scientifiques était Sadi Carnot, le «père de la thermodynamique", qui a publié en 1824 Réflexions sur la puissance motrice du feu, un discours sur la chaleur, la puissance et l'efficacité du moteur. Le document décrit les relations énergétiques de base entre le Machine de Carnot, le Cycle de Carnot, et La force motrice. Cela marque le début de la thermodynamique comme une science moderne.
La thermodynamique terme a été inventé par James Joule en 1858 pour désigner la science des relations entre la chaleur et pouvoir. En 1849, "thermo-dynamique", comme un terme fonctionnel, a été utilisé dans L'article de William Thomson Un compte de la théorie de Carnot de la puissance motrice de la chaleur. Le premier manuel thermodynamique a été écrit en 1859 par William Rankine, à l'origine une formation de physicien et professeur de génie civil et mécanique à la Université de Glasgow.
Les lois de la thermodynamique
En thermodynamique, il ya quatre lois de validité très générale, et comme tels, ils ne dépendent pas sur les détails des interactions ou les systèmes étudiés. Par conséquent, ils peuvent être appliqués aux systèmes dont on ne sait rien d'autre que le solde de l'énergie et de la matière de transfert. Les exemples comprennent Einstein prédiction de l 'de émission spontanée autour de la fin du 20ème siècle et les recherches actuelles sur la thermodynamique des trous noirs .
Les quatre lois sont:
- Principe zéro de la thermodynamique, indiquant que équilibre thermodynamique est une relation d'équivalence .
- Si deux systèmes thermodynamiques sont séparément en équilibre thermique avec un troisième, ils sont également en équilibre thermique avec l'autre.
- Première loi de la thermodynamique , de la conservation de l'énergie
- Deuxième loi de la thermodynamique , à propos de l'entropie
- L'entropie totale de tout système thermodynamique isolé tend à augmenter au fil du temps, l'approche d'une valeur maximale.
- En tant que système approche asymptotiquement de zéro absolu de température cesse pratiquement tous les processus et l'entropie du système se approche de manière asymptotique une valeur minimale; a également déclaré que: "l'entropie de tous les systèmes et de tous les Etats d'un système est nulle au zéro absolu» ou équivalente "il est impossible d'atteindre le zéro absolu de température par un nombre fini de processus".
- Relations réciproques Onsager (parfois appelé la quatrième loi de la thermodynamique)
- Exprimez l'égalité de certaines relations entre les flux et les forces de systèmes thermodynamiques sur équilibre, mais où la notion de équilibre local existe.
- Voir aussi: Condensat de Bose-Einstein et température négative.
Potentiels thermodynamiques
Comme on peut le dérivé de l'équation du bilan d'énergie (ou de l'équation Burks) sur un système thermodynamique il existe des quantités énergétiques appelés potentiels thermodynamiques, qui constitue la mesure quantitative de l'énergie stockée dans le système. Les cinq potentiels les plus connus sont:
| L'énergie interne |  |
| Énergie libre |  |
| Enthalpie |  |
| Énergie libre de Gibbs |  |
| Grand potentiel |  |
Autres potentiels thermodynamiques peuvent être obtenus par Transformation de Legendre. Potentiels sont utilisés pour mesurer les changements d'énergie dans les systèmes à mesure qu'ils évoluent d'un état initial à un état final. Le potentiel utilisé dépend des contraintes du système, comme la température ou la pression constante. L'énergie est l'énergie interne du système, enthalpie est l'énergie interne du système plus l'énergie liés au travail pression-volume et Helmholtz et Gibbs l'énergie sont les énergies disponibles dans un système de faire un travail utile lorsque la température et le volume ou la pression et la température sont fixées, respectivement.
Thermodynamique classique
La thermodynamique classique est l'original des années 1800 au début variation de la thermodynamique avec les États concernés, et les propriétés thermodynamiques que l'énergie, le travail et la chaleur, et avec les lois de la thermodynamique, tout manque une interprétation atomique. Dans la forme précurseur, la thermodynamique classique dérive de chimiste Robert Boyle de 1662 postulat que la pression P d'une quantité donnée de gaz varie en raison inverse de son volume V à température constante; ce est à dire sous forme d'équation: PV = k, une constante. De là, un semblant de thermo-science a commencé à se développer avec la construction des premiers moteurs à vapeur atmosphériques succès en Angleterre par Thomas Savery en 1697 et Thomas Newcomen en 1712. Les première et deuxième lois de la thermodynamique émergé simultanément dans les années 1850, principalement à partir des travaux de William Rankine, Rudolf Clausius, et William Thomson (Lord Kelvin).
Thermodynamique statistique
Avec le développement des théories atomiques et moléculaires à la fin des années 1800 et au début des années 1900, la thermodynamique a été donné une interprétation moléculaire. Ce champ est appelé thermodynamique statistique, qui peut être considéré comme un pont entre les propriétés macroscopiques et microscopiques des systèmes. Essentiellement, la thermodynamique statistique est une approche de la thermodynamique situés sur la mécanique statistique , qui met l'accent sur la dérivation des résultats macroscopiques de premiers principes. Il peut être opposé à son prédécesseur historique thermodynamique phénoménologiques , qui donne des descriptions scientifiques de phénomènes en évitant des détails microscopiques. L'approche statistique est de tirer toutes les propriétés macroscopiques (température, volume, la pression, l'énergie, l'entropie, etc.) à partir des propriétés des particules en mouvement constitutifs et les interactions entre eux (y compris les phénomènes quantiques). Il se est révélé être très efficace et, partant, est couramment utilisé.
Thermodynamique chimique
Thermodynamique chimique est l'étude de l'interrelation de la chaleur avec des réactions chimiques ou avec un changement physique de Etat dans les limites de la lois de la thermodynamique. Pendant les années 1873 à 1876 de l'American physicien mathématicien Josiah Willard Gibbs a publié une série de trois articles, le plus célèbre étant Sur l'équilibre des substances hétérogènes, dans lequel il a montré comment processus thermodynamiques pourraient être analysées graphiquement, par l'étude de l' énergie , l'entropie , le volume , la température et pression de la système thermodynamique, de manière à déterminer si un processus se produire spontanément. Au début du 20e siècle, les chimistes tels que Gilbert N. Lewis, Merle Randall, et EA Guggenheim a commencé à appliquer les méthodes mathématiques de Gibbs à l'analyse des processus chimiques.
Systèmes thermodynamiques
Un concept important en thermodynamique est le «système». Tout dans l'univers à l'exception du système est connu sous environnement. Un système est la région de l'univers étudié. Un système est séparée du reste de l'univers par un limite qui peut être imaginaire ou pas, mais qui, par convention délimite un volume fini. Les échanges possibles de travail , la chaleur ou la matière entre le système et l'environnement ont lieu dans cette limite. Les frontières sont de quatre types: fixe, mobile, réels et imaginaires.
Fondamentalement, la «frontière» est tout simplement une ligne imaginaire tracée en pointillés autour d'un volume de quelque chose quand il va y avoir un changement dans la énergie interne de ce quelque chose. Tout ce qui passe à travers la frontière qui effectue un changement dans l'énergie interne de la quelque chose doit être pris en compte dans l'équation de l'équilibre énergétique. Ce quelque chose peut être la région volumétrique entourant un seul atome de résonance de l'énergie, tels que Max Planck défini en 1900; il peut être un corps de vapeur ou d'air dans un moteur à vapeur , tel que Sadi Carnot défini en 1824; il peut être le corps d'un cyclone tropical , tel que Kerry Emanuel théorisé en 1986 dans le domaine de thermodynamique de l'atmosphère; il peut aussi être simplement une nucléide (ie un système de quarks ) comme certains sont actuellement en théorisant thermodynamique quantique.
Pour un moteur, une limite fixe moyen de piston est verrouillé dans sa position; en tant que tel, un procédé à volume constant se produit. Dans ce même moteur, une limite mobile permet au piston de se déplacer dans et hors. Pour les systèmes fermés, les frontières sont réels tandis que pour système ouvert les frontières sont souvent imaginaires. Il existe cinq classes dominantes de systèmes:
- Systèmes isolés - la matière et l'énergie ne peut pas traverser la frontière
- Systèmes adiabatique - la chaleur ne doivent pas traverser la frontière
- Systèmes diathermiques - chaleur peut traverser limite
- Les systèmes fermés - la matière ne peuvent pas traverser la frontière
- Open Systems - la chaleur, le travail, et la matière peuvent franchir la frontière (souvent appelé contrôle du volume dans ce cas)
Comme le temps passe dans un système isolé, les différences internes dans le système ont tendance à égaliser et les pressions et les températures ont tendance à égaliser, comme les différences de densité. Un système dans lequel tous les processus d'égalisation ont disparu pratiquement à son terme, est considéré comme étant dans un état de l'équilibre thermodynamique.
Dans l'équilibre thermodynamique, les propriétés d'un système sont, par définition, immuable dans le temps. Systèmes en équilibre sont beaucoup plus simple et plus facile à comprendre que les systèmes qui ne sont pas en équilibre. Souvent, lorsque l'analyse d'un processus thermodynamique, on peut supposer que chaque état intermédiaire dans le processus est à l'équilibre. Cela permettra également de simplifier considérablement la situation. Processus thermodynamiques qui se développent assez lentement pour permettre à chaque étape intermédiaire pour être un état d'équilibre sont dits processus réversible.
Paramètres thermodynamiques
Le concept central de la thermodynamique est celui de l'énergie , la capacité de faire le travail. Comme stipulé par la première loi , l'énergie totale du système et de ses environs est conservée. Il peut être transféré dans un corps par chauffage, compression, ou l'ajout de la matière, et extrait d'un corps soit par refroidissement, l'expansion ou l'extraction de la matière. A titre de comparaison, en mécanique, des résultats de transfert d'énergie à partir d'une force qui provoque le déplacement, le produit des deux étant la quantité d'énergie transférée. De la même manière, les systèmes thermodynamiques peuvent être considérés comme le transfert d'énergie à la suite d'une force provoquant un déplacement généralisé généralisée, avec le produit des deux étant la quantité d'énergie transférée. Ces paires force déplacement thermodynamiques sont connus comme les variables conjugué. Les variables thermodynamiques conjuguées plus courants sont les pression-volume (paramètres mécaniques), la température-entropie (paramètres thermiques), et le nombre potentiel particules chimiques (paramètres matériels).
Instruments thermodynamiques
Il existe deux types d'instruments thermodynamiques, l'appareil de mesure et le réservoir. Un compteur thermodynamique est tout dispositif qui mesure tous les paramètres d'un système thermodynamique. Dans certains cas, le paramètre thermodynamique est en fait défini en termes d'un appareil de mesure idéalisée. Par exemple, le droit zéro indique que si deux corps sont en équilibre thermique avec un troisième corps, ils sont également en équilibre thermique avec l'autre. Ce principe, comme l'a noté James Maxwell en 1872, affirme qu'il est possible de mesurer la température. Un idéalisée thermomètre est un échantillon d'un gaz parfait à pression constante. Du loi des gaz parfaits PV = nRT, le volume d'un tel échantillon peut être utilisé comme un indicateur de température; de cette manière, il définit la température. Bien que la pression est définie mécaniquement, un dispositif de mesure de pression, appelée baromètre peut également être construit à partir d'un échantillon d'un gaz idéal maintenu à une température constante. Un calorimètre est un appareil qui est utilisé pour mesurer et définir l'énergie interne d'un système.
Un réservoir thermodynamique est un système qui est si grande qu'elle ne modifie pas sensiblement ses paramètres d'état lorsqu'il est mis en contact avec le système de test. Il est utilisé pour imposer une valeur particulière d'un paramètre d'état sur le système. Par exemple, un accumulateur de pression est un système à une pression particulière, ce qui impose que la pression sur un système de test qui est relié mécaniquement. L'atmosphère de la terre est souvent utilisé comme un réservoir de pression.
Il est important que ces deux types d'instruments sont distincts. Un compteur ne effectue pas sa tâche avec précision se il se comporte comme un réservoir de la variable d'état qu'il cherche à mesurer. Si, par exemple, d'un thermomètre, d'agir comme un réservoir de température cela modifie la température du système étant mesurée, et la lecture serait erronée. Idéal mètres ne ont aucun effet sur les variables d'état du système qu'ils mesurent.
États thermodynamiques
Quand un système est à l'équilibre dans un ensemble donné de conditions, il est dit être dans un état défini. L'état du système peut être décrit par un certain nombre de variables intensives et des variables extensives. Les propriétés du système peut être décrit par un équation d'état qui spécifie la relation entre ces variables. État peut être considéré comme la description quantitative instantanée d'un système avec un numéro de série de variables maintenu constant
Processus thermodynamiques
Procédé thermodynamique peut être définie comme l'évolution dynamique d'un système thermodynamique passer d'un état initial à un état final. Typiquement, chaque processus thermodynamique se distingue des autres processus, à caractère énergique, selon quels paramètres, comme la température, la pression ou le volume, etc., sont maintenues fixes. En outre, il est utile de regrouper ces processus en paires, dans lequel chaque variable maintenue constante est un membre d'une paire conjugué. Les sept processus thermodynamiques plus courantes sont indiquées ci-dessous:
- Une processus isobarique se produit à une pression constante.
- Une processus isochore ou processus isométrique / isovolumétrique, se produit à volume constant.
- Une Procédé isotherme se effectue à une température constante.
- Une processus adiabatique se produit sans perte ou le gain de chaleur.
- Une processus isentropique (procédé adiabatique réversible) se produit à une entropie constante.
- Une isenthalpique processus se produit à une enthalpie constante.
- Un processus de l'état d'équilibre se produit sans un changement dans l'énergie interne d'un système.
