4 : La deuxième loi de la thermodynamique
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Dans le chapitre consacré à la première loi de la thermodynamique, nous avons commencé notre discussion par une blague de C. P. Snow qui disait que la première loi signifie « on ne peut pas gagner ». Il a paraphrasé la deuxième loi comme suit : « On ne peut atteindre le seuil de rentabilité, sauf par temps très froid ». À moins que vous ne soyez à zéro kelvin, vous ne pouvez pas convertir 100 % de l'énergie thermique en travail. Nous commençons par discuter des processus spontanés et expliquons pourquoi certains processus nécessitent du travail même si l'énergie aurait été conservée.
- 4.1 : Prélude à la deuxième loi de la thermodynamique
- La deuxième loi de la thermodynamique limite l'utilisation de l'énergie au sein d'une source. L'énergie ne peut pas passer arbitrairement d'un objet à un autre, tout comme nous ne pouvons pas transférer la chaleur d'un objet froid à un objet chaud sans travailler. Nous ne pouvons pas démixer la crème du café sans un procédé chimique qui modifie les caractéristiques physiques du système ou de son environnement. Nous ne pouvons pas utiliser l'énergie interne stockée dans l'air pour propulser une voiture sans perturber quelque chose autour de cet objet.
- 4.2 : Processus réversibles et irréversibles
- Un processus réversible est un processus dans lequel le système et l'environnement peuvent être restaurés exactement dans les mêmes états initiaux que ceux dans lesquels ils se trouvaient avant le processus, si nous revenons en arrière sur le chemin du processus. Un processus irréversible est ce que nous rencontrons dans la réalité presque tout le temps. Le système et son environnement ne peuvent pas être restaurés dans leur état d'origine en même temps.
- 4.3 : Moteurs thermiques
- Un moteur thermique est un appareil utilisé pour extraire la chaleur d'une source, puis la convertir en un travail mécanique utilisé pour toutes sortes d'applications. Par exemple, une machine à vapeur sur un train à l'ancienne peut produire le travail nécessaire à la conduite du train. Plusieurs questions se posent concernant la construction et l'utilisation des moteurs thermiques. Par exemple, quel est le pourcentage maximum de chaleur extraite qui peut être utilisé pour effectuer des travaux ?
- 4.4 : Réfrigérateurs et thermopompes
- Les cycles que nous avons utilisés pour décrire le moteur dans la section précédente sont tous réversibles, de sorte que chaque séquence d'étapes peut tout aussi bien être exécutée dans la direction opposée. Dans ce cas, le moteur est appelé réfrigérateur ou pompe à chaleur, selon l'objectif : la chaleur évacuée du réservoir froid ou la chaleur déversée dans le réservoir chaud. Un réfrigérateur ou une thermopompe est un moteur qui tourne en marche arrière.
- 4.5 : Exposés de la deuxième loi de la thermodynamique
- La deuxième loi de la thermodynamique peut être énoncée de différentes manières, et il peut être démontré que toutes impliquent les autres. En ce qui concerne les moteurs thermiques, la deuxième loi de la thermodynamique peut être énoncée comme suit : il est impossible de convertir la chaleur d'une source unique en travail sans aucun autre effet.
- 4.6 : Le cycle de Carnot
- Le cycle Carnot est le moteur le plus efficace pour un cycle réversible conçu entre deux réservoirs. Le principe de Carnot est une autre façon d'énoncer la deuxième loi de la thermodynamique.
- 4.7 : Entropie
- La deuxième loi de la thermodynamique s'exprime le mieux en termes de modification de la variable thermodynamique appelée entropie, qui est représentée par le symbole S. L'entropie, comme l'énergie interne, est une fonction d'état. Cela signifie que lorsqu'un système passe d'un état à un autre, le changement d'entropie ΔS est indépendant de la trajectoire et dépend uniquement des variables thermodynamiques des deux états.
- 4.8 : Entropie à l'échelle microscopique
- L'entropie peut être liée au degré de désordre ou de randomisation d'un système : plus il est désordonné, plus son entropie est élevée.
Vignette : Le travail effectué sur le gaz en un cycle du réfrigérateur Carnot.