Énergie

La thermodynamique fait appel à trois grandeurs fondamentales que sont la température absolue T (principe zéro), l’énergie E (premier principe) et l’entropie S (second et troisième principe). L’unité internationale de température est le kelvin qui en raison de son caractère absolu peut être utilisé dans les équations algébriques au même titre que les autres grandeurs physiques, alors que cela n’est pas possible avec la température empirique mesurée en degré Celsius par exemple.

Avant la mécanique quantique, le zéro absolu de température correspondait au point où l’énergie cinétique devenait nulle. Avec la mécanique quantique, l’agitation moléculaire ne peut être stoppée et dans ces conditions le zéro absolu de température correspond en fait au point où plus aucun échange de chaleur n’est possible. En dehors de l’énergie cinétique qui est étroitement reliée à la notion de température, il existe d’autres formes d’énergie dites potentielles qui peuvent s’interconvertir l’une dans l’autre (mis à part l’énergie nucléaire qui est la source ultime d’énergie):

Comme le montre cette figure on peut identifier sept principales formes d’énergie dans la nature terrestre donnant naissance à 14 différents procédés de transformation associés. Les différentes unités de mesure quantitative sont aussi indiquées, l’unité SI d’énergie étant le joule (J), énergie nécessaire pour élever la température d’un litre d’air sec de 1°C ou quantité de chaleur dégagée en 10 ms par un adulte au repos (équation dimensionnelle M·L²·T^-2). Le symbole Δ indique que l’énergie est une quantité signée qui peut être gagnée ou perdue et que ce qui compte n’est pas le contenu énergétique en lui-même mais plutôt la différence entre deux contenus énergétiques correspondant à un état initial et un état final. La partie en haut à droite résume les principales lois de la physique quantique et concerne comme on peut le constater principalement les pôles lumière, nucléaire et thermique. En haut à gauche, on rappelle qu'il existe 4 constantes fondamentales naturelles dont les valeurs sont rigoureusement les mêmes pour tous les observateurs et quelque soit leurs états de mouvement relatif. On y trouve également un résumé de la théorie de la relativité restreinte qui stipule qu'aucune énergie E ne peut se propager avec une vitesse v supérieure à la vitesse de la lumière c. La théorie de la relativité générale est quant à elle exprimée via l'existence d'un taux maximal de dissipation de l'énergie dans l'univers faisant intervenir la cinquième puissance de la vitesse de la lumière c et la constante de gravitation universelle G. Le reste du diagramme résume les lois de la physique dite classique. Pour la signification des différentes unités on se référera à la page consacrée aux unités de mesure.
L'application du principe fondamental de la dynamique à tout type de mouvement aboutit au premier principe de la thermodynamique qui stipule que la somme de toutes les énergies cinétique K et de toutes les énergies potentielles U ne varie jamais dans le temps: E = K + U = constante. Autrement rien ne peut être créé ou détruit mais tout peut se transformer. Le diagramme ci-dessus illustre aussi deux autres grandes lois impliquant l'énergie. Tout d'abord le théorème du viriel qui stipule que si un système soumis à un potentiel U(q) est de taille finie, alors la valeur moyenne du double de l'énergie cinétique 2<K> doit être égale la valeur moyenne du viriel de Clausius de l'énergie potentielle définie comme le produit de la variable q par le gradient de potentiel associé ∂U/∂q. Le principe de la thermodynamique et le théorème du viriel restent vrais en physique quantique. L'autre théorème dit d'équipartition de l'énergie concerne l'énergie totale E = K + U et stipule qu'à l'équilibre thermique, la valeur moyenne du viriel de Clausius de l'énergie totale associée à la variable q ne dépende que du produit de la constante de Boltzmann par la température absolue T.