la première loi de la thermodynamique stipule que la chaleur est une forme d’énergie, et les processus thermodynamiques sont donc soumis au principe de conservation de l’énergie. Cela signifie que l’énergie thermique ne peut pas être créée ou détruite. Il peut, cependant, être transféré d’un endroit à l’autre et converties à d’autres formes d’énergie.

la Thermodynamique est la branche de la physique qui traite des relations entre la chaleur et d’autres formes d’énergie., En particulier, il décrit comment l’énergie thermique est convertie en d’autres formes d’énergie et comment elle affecte la matière. Les principes fondamentaux de la thermodynamique sont exprimés en quatre lois.

« La Première Loi dit que l’énergie interne d’un système est égale au travail effectué sur le système, plus ou moins la chaleur qui circule dans ou hors du système et tout autre travail qui est fait sur le système », a déclaré Saibal Mitra, professeur de physique à l’Missouri State University. « Donc, c’est un retraitement de la conservation de l’énergie., »

Mitra a poursuivi: « le changement d’énergie interne d’un système est la somme de toutes les entrées et sorties d’énergie vers et depuis le système de la même manière que tous les dépôts et retraits que vous effectuez déterminent les changements dans votre solde bancaire. »Ceci est exprimé mathématiquement comme suit: ΔU = Q-W, où ΔU est le changement de l’énergie interne, Q est la chaleur ajoutée au système et W est le travail effectué par le système.,

histoire

Les scientifiques de la fin du 18e et du début du 19e siècle ont adhéré à la théorie calorique, proposée Pour la première fois par Antoine Lavoisier en 1783, et renforcée par les travaux de Sadi Carnot en 1824, selon L’American Physical Society. La théorie calorique traitait la chaleur comme une sorte de fluide qui coulait naturellement des régions chaudes aux régions froides, tout comme l’eau coulait des endroits hauts aux endroits bas. Lorsque ce fluide calorique coulait d’une région chaude à une région froide, il pouvait être converti en énergie cinétique et faire fonctionner autant que l’eau qui tombe pourrait entraîner une roue à eau., Ce n’est que lorsque Rudolph Clausius a publié « the Mechanical Theory of Heat » en 1879 que la théorie calorique a finalement été mise au repos.

systèmes thermodynamiques

L’énergie peut être divisée en deux parties, selon David McKee, professeur de physique à la Missouri Southern State University. L’une est notre contribution macroscopique à l’échelle humaine, comme un piston se déplaçant et poussant sur un système de gaz. Inversement, les choses se passent à une échelle très petite où nous ne pouvons pas suivre les contributions individuelles.,

McKee explique: « quand je mets deux échantillons de métal l’un contre l’autre, et que les atomes tremblent à la limite, et que deux atomes rebondissent l’un dans l’autre, et que l’un des deux se détache plus vite que l’autre, Je ne peux pas en garder une trace. Cela se produit sur une très petite échelle de temps et une très petite distance, et cela se produit plusieurs fois par seconde. Donc, nous divisons simplement tout le transfert d’énergie en deux groupes: les choses dont nous allons garder une trace, et les choses dont nous n’allons pas garder une trace. Ce dernier est ce que nous appelons la chaleur.,”

les systèmes thermodynamiques sont généralement considérés comme étant ouverts, fermés ou isolés. Selon l’Université de Californie, Davis, un système ouvert librement à l’échange de l’énergie et de la matière avec son environnement; un système fermé échange de l’énergie mais pas de matière avec son environnement; et un système isolé n’échange pas d’énergie ou de matière avec son environnement. Par exemple, une casserole de soupe bouillante reçoit de l’énergie du poêle, rayonne de la chaleur de la casserole et émet de la matière sous forme de vapeur, qui emporte également de l’énergie thermique. Ce serait un système ouvert., Si nous mettons un couvercle étanche sur le pot, il rayonnerait toujours de l’énergie thermique, mais il n’émettrait plus de matière sous forme de vapeur. Ce serait un système fermé. Cependant, si nous devions verser la soupe dans une bouteille thermos parfaitement isolée et sceller le couvercle, il n’y aurait pas d’énergie ou de matière entrant ou sortant du système. Ce serait un système isolé.

Dans la pratique, cependant, parfaitement isolé ne peut pas exister. Tous les systèmes transfèrent de l’énergie à leur environnement par rayonnement, quelle que soit leur isolation., La soupe dans le thermos ne restera chaude que quelques heures et atteindra la température ambiante le lendemain. Dans un autre exemple, les étoiles naines blanches, les restes chauds d’étoiles brûlées qui ne produisent plus d’énergie, peuvent être isolées par des années-lumière de vide presque parfait dans l’espace interstellaire, mais elles finiront par se refroidir de plusieurs dizaines de milliers de degrés à un zéro absolu proche en raison de la perte d’énergie due au rayonnement. Bien que ce processus prenne plus de temps que l’âge actuel de l’univers, rien ne l’arrête.,

Moteurs thermiques

l’application pratique la plus courante de la première loi est le moteur thermique. Les moteurs thermiques convertissent l’énergie thermique en énergie mécanique et vice versa. La plupart des moteurs thermiques entrent dans la catégorie des systèmes ouverts. Le principe de base d’un moteur thermique exploite les relations entre la chaleur, le volume et la pression d’un fluide de travail. Ce fluide est généralement un gaz, mais dans certains cas, il peut subir des changements de phase du gaz au liquide et revenir à un gaz au cours d’un cycle.

lorsque le gaz est chauffé, il se dilate; cependant, lorsque ce gaz est confiné, il augmente en pression., Si la paroi inférieure de la chambre de confinement est la partie supérieure d’un piston mobile, cette pression exerce une force sur la surface du piston l’amenant à se déplacer vers le bas. Ce mouvement peut alors être exploité pour effectuer un travail égal à la force totale appliquée au sommet du piston fois la distance que le piston se déplace.

Il existe de nombreuses variantes sur le moteur thermique de base. Par exemple, les machines à vapeur dépendent de la combustion externe pour chauffer un réservoir de chaudière contenant le fluide de travail, généralement de l’eau., L’eau est convertie en vapeur, et la pression est alors utilisée pour actionner un piston qui convertit l’énergie thermique en énergie mécanique. Les moteurs d’automobiles, cependant, utilisent la combustion interne, où le carburant liquide est vaporisé, mélangé à de l’air et enflammé à l’intérieur d’un cylindre au-dessus d’un piston mobile le conduisant vers le bas.

Réfrigérateurs, des climatiseurs et pompes à chaleur

d’un Réfrigérateur et de pompes à chaleur sont les moteurs thermiques qui convertissent l’énergie mécanique en chaleur. La plupart d’entre eux entrent dans la catégorie des systèmes fermés. Lorsqu’un gaz est comprimé, sa température augmente., Ce gaz chaud peut alors transférer de la chaleur à son environnement. Ensuite, lorsque le gaz comprimé est autorisé à se dilater, sa température devient plus froide qu’avant sa compression, car une partie de son énergie thermique a été éliminée pendant le cycle chaud. Ce gaz froid peut alors absorber l’énergie thermique de son environnement. C’est le principe de fonctionnement derrière un climatiseur. Les climatiseurs ne produisent pas réellement de froid; ils éliminent la chaleur. Le fluide de travail est transféré à l’extérieur par une pompe mécanique où il est chauffé par compression., Ensuite, il transfère cette chaleur à l’environnement extérieur, généralement via un échangeur de chaleur refroidi par air. Ensuite, il est ramené à l’intérieur, où il est autorisé à se dilater et refroidir afin qu’il puisse absorber la chaleur de l’air intérieur à travers un autre échangeur de chaleur.

Une pompe à chaleur est simplement un climatiseur fonctionnant en sens inverse. La chaleur du fluide de travail comprimé est utilisée pour réchauffer le bâtiment. Il est ensuite transféré à l’extérieur où il se dilate et devient froid, ce qui lui permet d’absorber la chaleur de l’air extérieur, qui, même en hiver, est généralement plus chaud que le fluide de travail froid.,

Les systèmes de climatisation et de pompe à chaleur géothermiques ou au sol utilisent de longs tubes en forme de U dans des puits profonds ou un réseau de tubes horizontaux enterrés dans une grande surface à travers laquelle le fluide de travail circule et la chaleur est transférée vers ou depuis la terre. D’autres systèmes utilisent des rivières ou de l’eau de mer pour chauffer ou refroidir le fluide de travail.