Thermodynamique

La thermodynamique est l'étude des systèmes thermiques à températures, pressions et volumes variables.

Préambule

On voit bien que Sadi Carnot ( au-dessus ) est un thermodynamicien : il est plus classe qu'Einstein ( en dessous ) le physicien

J'entends déjà des gens dire « Comment ça, des unités de mesure et des calculs avec des lettres, c'est de la physique ça. ». Je les arrête tout de suite ces gros bâtards. La thermodynamique, ce n'est en aucun cas de la physique. C'est insultant de dire à un thermodynamicien qu'il est physicien. Est-ce que moi je vous insulte de fils de pute ou de chanteur de variété française ? Non, on est d'accord. Je connais des thermodynamiciens qui tuent quand on les traite de physiciens. C'est compris ? On peut passer à autre chose ? Bien. Le mot thermodynamique vient du Campeur thermos qui signifie qui sert à garder le café chaud et du Cycliste dynamo qui désigne un petit machin qui permet de rouler avec les phares allumés.

Au fait, ça me fait penser que ces cons de chez Wikipédia ont écrit que Sadi Carnot était physicien. Ça me tue ça. Comment peut-on être autant attardé? Sadi Carnot c'était le pionnier de la thermodynamique. Un héros. Une légende. Que dis-je, un Dieu parmi les Hommes. Et voila, les wikipédiens qui foutent leur merde par pelletées. Je suis sur que c'est un physicien jaloux qui a écrit ça. Oui ça doit être ça. Allez, je m'emporte, mais c'est vrai quoi. Faut pas dire n'importe quoi. Ok ? Ok. Je continue.

On en était donc à... La thermodynamique. Oui. Ce que vous apprendrez dans ce cours ira de l'étude du simple moteur thermique à celle, infiniment plus complexe, du glaçon dans un verre de whisky quinze ans d'age. Oui oui, vous ne rêvez pas, un scotch quinze ans d'age. Et vous saurez enfin pourquoi vous avez l'air d'une tanche quand vous buvez un whisky avec des glaçons ! N'est-ce pas le plus beau jour de votre vie ? Et ça, uniquement grâce à la thermodynamique.

Et c'est pas les physiciens qui feraient ça, cette bande de gros bâtards.

Bon, bon, pour expliquer tout ça, nous nous basons majoritairement sur les travaux du grand, sexy et merveilleusement brillant Sadi Carnot. C'est lui qui a écrit les grands principes de la thermodynamique. Quel homme !

Avant de commencer

Toutes les températures seront énoncées en kévin ( notation : K ). Il s'agit de l'unité du système international concernant la température. Rappelons que la température en kévin d'un corps est étalonnée à partir du zéro absolu mesuré dans le cerveau de Xx~b0g0sS~du~92~xX le 18 février 2001, juste avant le début de l'écriture de son skyblog.

Le zéro de l'échelle kévin correspond ainsi au zéro absolu du cerveau kévinien, soit -273,15°C.

La loi des gaz parfaits

Énoncé

Avant d'attaquer les grands principes de la thermodynamique, il convient de connaître la loi des gaz parfaits. Découverte expérimentalement en 1811 par Advocaatro, un Néerlandais immigré en Italie, elle est la première relation permettant d'établir un lien de proportionnalité inverse entre le bruit d'un pet et son odeur. Elle s'exprime ainsi :

$PV=nRT$

P étant la puanteur ( en kiloputois, abrégés kP ), n la quantité de gaz ( en mole ), R la constante des gaz parfaits ( 8,314 joules kévin mètres par secondes, abrégés J.K.m.s^-1 ), T la température du pet en kévins et V le volume que le gaz peut occuper. Cette dernière grandeur étant reliée au bruit causé par le pet suivant la formule :

$B=log(qV)$

Avec B quantité de bruit en décibels, V en m/s et q Coefficient Rectal de Sonorité ( en s.m^-1 ) variant selon chaque individu.

Lors de sa publication, c'était la première fois qu'était démontré scientifiquement qu'un pet bruyant pue moins qu'un pet silencieux. En effet, RT étant presque constant pour un individu, si l'on considère un n fixé, on obtient une relation de type $P=a/V$. CQFD

Graph représentatif de la loi des gaz parfaits en échelle logarithmique.

Remarques

• T est généralement à la température corporelle, soit 310 kévins. Néanmoins, si vous avez mangé du piment ou bu trop d'alcool avant la production du gaz, il est possible que la température soit ponctuellement plus forte. Il en résulte des gaz plus rapides ou plus puants.
• q augmente exponentiellement avec le nombre de personnes se trouvant dans la même pièce que vous.
• C'est une loi parfaite : un gaz réel s'accompagnera souvent d'une légère augmentation de température voire d'une expulsion de matière solide. Un tel gaz ne suivra pas la loi des gaz parfaits.

Les grands principes de la thermodynamique

Boltzmann démontrant le principe zéro avec Adam.

Bon, maintenant que tu as les bases de compréhension, on va pouvoir attaquer la thermodynamique, la vraie. Celle de Carnot et Boltzmann. Ceux là ils avaient la classe. Ils l'ont encore, même. Alors que des gars comme Newton ou bien Lavoisier, tout le monde s'en fout, personne ne se souvient d'eux, Boltzmann c'est encore un Dieu vivant, un modèle à suivre.

Comment ça, tu sais pas qui c'est ? P'tit con, va...

Bon, passons. Tu vois, les principes de la thermodynamique, il y en a 4, et on va commencer par le principe zéro. Ah non, il n'est pas nul, ou vide. On voit bien que vous n'y connaissez rien. D'ailleurs j'ai un pote informaticien qui compte à partir de zéro. Lui aussi il dit que personne ne comprend ce qu'il fait, et qu'ils disent qu'il est bizarre. Ils l'appellent le nerd, ou le geek. N'importe quoi. On a beaucoup de points communs, lui et moi. On est des vrais passionnés, pas comme ces branleurs de physiciens qui ne font ça que pour l'argent, la gloire et les gonzesses. Et les physiciennes sont moches !

Principe Zéro

Énoncé en premier, ce théorème est la base de tout : il conditionne les échanges même de chaleur entre deux corps. Ah ils peuvent faire leurs malins les Planck, les De Broglie avec leur physique quantique à deux ronds. On voit bien que c'est bidon : personne n'y comprend rien, c'est de la statistique totalement aléatoire encore pire que les chiffres du Pôle Emploi. Moi c'est du concret ce que je vous montre. Ah !

Énoncé

Lorsqu'un corps chaud et un corps froid sont en contact, il y a transfert de chaleur du plus chaud au plus froid. Au contraire, quand deux corps de même température sont en contact, il n'y a pas transfert de chaleur.

Explications

Il faut d'abord comprendre la différence entre chaleur et température.

Chaleur

Température

Compris ?

Par exemple, si vous prenez un corps chaud et que vous le mettez dans un environnement froid, la température va s'abaisser à la température extérieure par un transfert de chaleur.

Cette jambe à 310 K va transférer sa chaleur à l'environnement pour se stabiliser à la température de la pièce.

Ok ? On passe au premier principe.

Premier Principe

Énoncé

La chaleur, notée Q, est équivalente à une énergie. Il ne peut y avoir création spontanée d’énergie.

Expression mathématique du premier principe

Notion de fonction d'état

Pour une transformation fermée, si au cours de la transformation cyclique il y a échange de travail W (énergie non thermique) et de chaleur Q (énergie thermique) avec le milieu extérieur:

$W+Q=0$

Pour une transformation ouverte de l'état A vers l'état B :

• Soit (1) la transformation allant de l'état A à l'état B avec un travail W₁ et un échange de chaleur Q₁.
• Soit (2) la transformation allant de l'état A à l'état B avec un travail W₂ et un échange de chaleur Q₂.
• Soit (3) la transformation allant de l'état B à l'état A avec un travail W₃ et un échange de chaleur Q₃.

$W₁+Q₁=W₃+Q₃=W₂+Q₂$

On note l'énergie interne du système U :

$U<sub>2-U₁=W+Q$ $dU=dW+dQ$

Pour une transformation quelconque d’un système d’un état A à un état B : la quantité totale d’énergie U échangée avec l’extérieur ne dépend que de l’état initial et de l’état final. C'est une fonction d'état. W et Q varient en fonction de la transformation.

Exemple

Ici, on voit bien que quel que soit la méthode que vous employez pour la mettre dans votre lit, vous dépenserez la même quantité d'énergie U. Par contre, le restaurant est cher et elle peut refuser...

Notion d'enthalpie

Une transformation thermomécanique est une transformation dans laquelle le système n’échange que de la chaleur Q et du travail W contre les forces de pression :

$dW=-Pext.dV$

On a donc évidemment:

$dU=dW+dQ$

$dW=-P_ext.dV$

$P_ext=P_a=P_b$

On obtient :

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « https://wikimedia.org/api/rest_v1/ » :): {\displaystyle ∆U_p=Q_p+W_p=Q_p+(P_aV_a-P_bV_b)=U_b-U_a}

Et d'où on déduit aisément la notion d'enthalpie, notée H :

$Qp=(Ub+PbVb)-(Ua+PaVa)=Hb-Ha$

Voila.

$H=U+P.V$

C'est trivial.

Ça n'a rien à voir avec l'enthalpie, mais il faut bien meubler un peu l'article.

Vous avez bien tout compris. Ok, on enchaîne sur le...

Second Principe

Alors là, c'est plus la même chose, on entre dans le saint des saints de la thermodynamique. Ça, ça vaut bien le téléphone, le sonar et la loi de la gravité réunis. C'est... magique, c'est si sensuel... C'est tellement mieux que tout ce qu'ont pu faire les physiciens... Loué soit Carnot !

Énoncé

La chaleur Q est une valeur extensive et son extensité est l'entropie, notée S. Si la variation de l'entropie de l'univers lors d'une transformation est inférieure à 0, la transformation est impossible ou forcée.

Expression mathématique du second principe

$dS=dQ/T$

Saviez-vous que...

L'auteur vous épargne 5 pages de calcul longs, fastidieux et pleins d'erreurs.

Et c'est tout !

Applications du second principe

Le second principe dit en substance : quelque soit la transformation que vous effectuez, vous créez du bordel dans l'univers.

Exemple 1

Si vous rangez votre chambre, son entropie diminue...

...mais vous augmentez celle de l'univers.

Exemple 2

Vous pensiez aider à la propagation de la connaissance...

...mais vous financez le terrorisme international.

Exemple 3

Surement réalisé par un cerveau plein d'entropie.

Bien, passons maintenant au...

Troisième Principe

Non, en fait celui là vous ne le méritez pas. C'est la touche finale, l'ultime, celui qui parle de ce qui arrive lorsque l'on s'approche du zéro absolu. Partez ! Partez, c'est MON principe... mon précieux principe...

Que pensez vous de ce cours magistral ?

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Diminue l'entropie de l'univers.

7

Transfert de chaleur.

3

Enthalpie égale à zéro.

1

Ne me fait ni chaud ni froid.

2

Aussi parfait qu'un gaz avec morceaux...

1

Jé rien conprit

1

Je veux annuler mon vote

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