4.S : La deuxième loi de la thermodynamique (résumé)
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Termes clés
| Cycle de Carnot | cycle composé de deux isothermes aux températures de deux réservoirs et de deux processus adiabatiques reliant les isothermes |
| Moteur Carnot | Moteur thermique, réfrigérateur ou pompe à chaleur Carnot fonctionnant selon un cycle Carnot |
| Principe de Carnot | principe régissant l'efficacité ou les performances d'un dispositif thermique fonctionnant sur un cycle de Carnot : tout dispositif thermique réversible fonctionnant entre deux réservoirs doit avoir le même coefficient d'efficacité ou de performance, supérieur à celui d'un dispositif thermique irréversible fonctionnant entre les deux mêmes réservoirs |
| Déclaration de Clausius sur la deuxième loi de la thermodynamique | la chaleur ne circule jamais spontanément d'un objet plus froid vers un objet plus chaud |
| coefficient de performance | mesure de l'efficacité d'un réfrigérateur ou d'une thermopompe |
| réservoir de froid | puits de chaleur utilisé par un moteur thermique |
| désordre | mesure de l'ordre dans un système ; plus le trouble est important, plus l'entropie est élevée |
| efficacité (e) | le travail de sortie du moteur sur la chaleur d'entrée du moteur à partir du réservoir chaud |
| entropie | fonction d'état du système qui change lorsque de la chaleur est transférée entre le système et l'environnement |
| énoncé entropique de la deuxième loi de la thermodynamique | l'entropie d'un système fermé ou de l'univers entier ne diminue jamais |
| moteur thermique | appareil qui convertit la chaleur en travail |
| pompe à chaleur | dispositif qui fournit de la chaleur à un réservoir chaud |
| réservoir chaud | source de chaleur utilisée par un moteur thermique |
| irréversibilité | phénomène associé à un processus naturel |
| processus irréversible | processus dans lequel ni le système ni son environnement ne peuvent être restaurés à leur état d'origine en même temps |
| isentropique | procédé adiabatique réversible où le processus se déroule sans friction et où aucune chaleur n'est transférée |
| Déclaration de Kelvin sur la deuxième loi de la thermodynamique | il est impossible de convertir la chaleur d'une source unique en travail sans aucun autre effet |
| moteur parfait | moteur capable de convertir la chaleur en travail avec une efficacité de 100 % |
| réfrigérateur parfait (pompe à chaleur) | réfrigérateur (pompe à chaleur) capable d'évacuer (évacuer) la chaleur sans aucune intervention |
| réfrigérateur | dispositif qui évacue la chaleur d'un réservoir de froid |
| processus réversible | processus dans lequel le système et l'environnement externe peuvent théoriquement revenir à leur état d'origine |
| troisième loi de la thermodynamique | la température nulle absolue ne peut être atteinte par un nombre limité d'étapes de refroidissement |
Équations clés
| Résultat de la conservation de l'énergie | \(W=Q_h−Q_c\) |
| Efficacité d'un moteur thermique | \(e=\frac{W}{Q_h}=1−\frac{Q_c}{Q_h}\) |
| Coefficient de performance d'un réfrigérateur | \(K_R=\frac{Q_c}{W}=\frac{Q_c}{Q_h−_Q}\) |
| Coefficient de performance d'une pompe à chaleur | \(K_P=\frac{Q_h}{W}=\frac{Q_h}{Q_h−Q_c}\) |
| Efficacité résultante d'un cycle de Carnot | \(e=1−\frac{T_c}{T_h}\) |
| Coefficient de performance d'un réfrigérateur réversible | \(K_R=\frac{T_c}{T_h−T_c}\) |
| Coefficient de performance d'une pompe à chaleur réversible | \(K_P=\frac{T_h}{T_h−T_c}\) |
| Entropie d'un système soumis à un processus réversible à température constante | \(ΔS=\frac{Q}{T}\) |
| Modification de l'entropie d'un système dans le cadre d'un processus réversible | \(ΔS=S_B−S_A=∫^B_AdQ/T\) |
| Entropie d'un système soumis à un processus cyclique réversible complet | \(∮dS=∮\frac{dQ}{T}=0\) |
| Modification de l'entropie d'un système fermé dans le cadre d'un processus irréversible | \(ΔS≥0\) |
| Modification de l'entropie du système le long d'une isotherme | \(\lim_{T→0}(ΔS)_T=0\) |
Résumé
4.2 Processus réversibles et irréver
- Un processus réversible est un processus dans lequel le système et son environnement peuvent revenir exactement à l'état dans lequel ils se trouvaient en suivant le chemin inverse.
- Un processus irréversible est un processus dans lequel le système et son environnement ne peuvent pas revenir ensemble exactement à l'état dans lequel ils se trouvaient.
- L'irréversibilité de tout processus naturel résulte de la deuxième loi de la thermodynamique.
4.3 Moteurs thermiques
- Le travail effectué par un moteur thermique est la différence entre la chaleur absorbée par le réservoir chaud et la chaleur évacuée vers le réservoir froid, c'est-à-dire\(W=Q_h−Q_c\).
- Le rapport entre le travail effectué par le moteur et la chaleur absorbée par le réservoir chaud fournit l'efficacité du moteur, c'est-à-dire\(e=W/Q_h=1−Q_c/Q_h\).
4.4 Réfrigérateurs et thermopompes
- Un réfrigérateur ou une thermopompe est un moteur thermique fonctionnant en sens inverse.
- L'objectif d'un réfrigérateur est d'éliminer la chaleur du réservoir de froid avec un coefficient de performance\(K_R\).
- L'objectif d'une pompe à chaleur est de déverser de la chaleur vers le réservoir chaud avec un coefficient de performance\(K_P\).
4.5 Exposés de la deuxième loi de la thermodynamique
- L'énoncé Kelvin de la deuxième loi de la thermodynamique : il est impossible de convertir la chaleur d'une source unique en travail sans aucun autre effet.
- L'énoncé de Kelvin et l'énoncé de Clausius concernant la deuxième loi de la thermodynamique sont équivalents.
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
- Le changement d'entropie pour un processus réversible à température constante est égal à la chaleur divisée par la température. Le changement d'entropie d'un système dans le cadre d'un processus réversible est donné par\(ΔS=∫^B_AdQ/T\).
- Le changement d'entropie d'un système entre deux états est indépendant du chemin thermodynamique réversible emprunté par le système lorsqu'il effectue une transition entre les états.
4.8 Entropie à l'échelle microscopique
- L'entropie peut être liée au degré de désordre d'un système : plus il est désordonné, plus son entropie est élevée. Dans tout processus irréversible, l'univers devient plus désordonné.
- Selon la troisième loi de la thermodynamique, la température nulle absolue n'est pas atteignable.