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jeudi 8 mai 2014

Thermodynamique



Notre première notion intuitive et subjective de température provient de la sensation de froid et de chaleur associée à notre sens du toucher. La science a su transformer cette sensation de nature qualitative en une notion quantitative parfaitement définie qui peut être appliquée bien au-delà de notre expérience directe et sensible de la matière. Par exemple, il est courant d’entendre dire dans les laboratoires de physique que tel système de spins se trouve à une température de 2,51 Kelvin ou bien que la température qui règne au centre du soleil est de 20 millions de Kelvin. Or, il n’existe aucun moyen de toucher un système de spins ou d'aller au centre du soleil pour y mesurer la température régnante car ceci est physiquement impossible. Le premier contact avec la thermodynamique a très probablement eu lieu lorsque les hommes ont constaté que des objets exposés aux rayons du soleil ou placés auprès d’un feu avaient un comportement différent de ceux placés à l’ombre ou loin du feu:


 La même observation pouvait être faite en comparant un être vivant et un corps inanimé. Confrontés à des changements d’états comme l’ébullition ou la congélation ou bien encore comme la cuisson de la viande, la notion de chaleur s’imposa comme étant la responsable des changements de volume observés pour des gaz, des liquides et des solides. La thermodynamique qui est la science des forces (δύναμος ou dynamos en grec) liées à la chaleur (θέρμος ou thermos en grec) est une science fondamentale qui s’est construite essentiellement au XIXème siècle et qui plus que toute science a tout de suite donné naissance à de multiples paradoxes, la plupart centrés autour du second principe lié à la nature de l’irréversibilité. L’existence de ces paradoxes montre que la thermodynamique est une science qui touche à la racine même des choses et qui doit donc être abordée avec la plus grande rigueur logique. À ce titre, faire de la thermodynamique en posant des axiomes de base et en manipulant toute une série de formules impliquant des dérivées partielles comme on le voit dans la plupart des manuels d’enseignement est la dernière chose à faire. La meilleure manière d’aborder la thermodynamique est de faire la part des choses entre ce qui peut être déduit des lois connues de la mécanique et de l’électrodynamique et ce qui ne peut être déduit que d’observations expérimentales.

Un système thermodynamique est un ensemble de corps placés dans un environnement donné, l’exemple le plus simple étant un certain volume de gaz. On a l’habitude de distinguer trois grand types de systèmes thermodynamiques:

Les systèmes ouverts qui peuvent échanger avec l’extérieur matière et chaleur, les systèmes fermés qui ne peuvent échanger que de la chaleur et les systèmes isolés qui ne peuvent échanger ni matière ni chaleur. L’état thermodynamique d’un tel système est spécifié en mesurant certaines propriétés physiques macroscopiques comme la température, le volume ou la pression. À ce stade, il est important de faire la distinction entre un système thermodynamique et un système physique. Ainsi, si je prends de la vapeur d’eau, je peux soit étudier son comportement en fonction de la température θ et de la pression p, soit en fonction de la température et du volume V. Dans ce cas j’ai donc deux systèmes thermodynamiques différents eau = f(θ,P) et eau = f(θ,V) pour le même système physique: la vapeur d’eau. Ce qui distingue la thermodynamique des autres sciences, c’est que la température est toujours un paramètre pertinent du problème. La conséquence logique de cet état de fait est que la notion de système thermodynamique est une notion anthropomorphique liée à l’expérimentateur qui choisit quelles variables macroscopiques il va considérer. Bien évidemment, si tous les systèmes thermodynamiques se valent et qu’il n’y en pas un de plus «correct» que les autres, tous ne sont pas équivalents sur le plan pratique. On notera le parallèle frappant avec les systèmes quantiques où l’observateur joue également un rôle déterminant dans le choix des observables qu’il va mesurer (voir la notion d’ECOC), ce qui nous montre que la thermodynamique est probablement la science la plus proche de la mécanique quantique sur le plan conceptuel. De fait, comme la mécanique quantique, la thermodynamique se base sur des axiomes de travail qui sont absolument nécessaires pour développer une argumentation logique et qui ne trouvent leur justification que dans la possibilité de rendre compte de manière qualitative et quantitative des faits expérimentaux observés. Ces lois ou principes sont au nombre de quatre, la loi la plus fondamentale étant d’ailleurs de nature qualitative plutôt que quantitative, raison pour laquelle on l’appelle principe zéro. La thermodynamique n'existerait pas non plus sans son premier principe qui naquit une fois que l'on arriva à faire une claire distinction entre les notions de température et de chaleur. Au début, on pensait que la chaleur ou le calorique était une sorte de fluide comme l'électricité ou le magnétisme. Puis on découvrit que chaleur et travail pouvaient se transformer l'un dans l'autre donnant naissance au premier principe de la thermodynamique, introduisant les notions fondamentales d'énergies de nature cinétiques ou potentielles. 

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