La thermodynamique

Dossier TPE : catégorie sciences et histoire année 2011 - 2012 L'émergence de la thermodynamique et l'application de ses lois au XIXème siècle. Hériché Mathilde, Briard Mélanie 1Ssvt, Lycée Paul Langevin Sommaire Introduction .......... page 3 Le premier principe de la thermodynamique affirme que la quantité totale d'énergie dans l'univers est constante,.. ..page 5 a) En théorie, la chaleur est convertible comme toutes les formes d'énergies. .......page 5 b) En pratique, c'est l'expérience de Joule qui prouve que l'énergie mécanique et l'énergie thermique sont convertibles.page 9 c) En analyse, les phénomènes thermodynamiques sont interprétés dans des conditions physiques « parfaites «..page 12 ...alors que le second principe démontre que la quantité totale d'énergie utile diminue constamment. ....page 14 a) La désorganisation accroît l'entropie. ....page 14 b) La chaleur « se propage « toujours du chaud vers le froid. .page 18 Dans la deuxième partie du XIXème siècle, les scientifiques développent la notion de « mort thermique de l'univers «, idée qui sera relayée grâce à des oeuvres diverses. ...page 20 a) La théorie de la fin du monde résulte de l'application directe des lois de la thermodynamiques à l'ensemble de l'univers..page 20 b) La difficulté de la société a admettre que l'univers n'est pas éternel. .........page 22 Conclusion ..........page 25 Synthèse personnelle de Mathilde Hériché .....page 26 Synthèse personnelle de Mélanie Briard .....page 27 Annexes: - lexique .........page 29 - biographies et portraits .. . . . .page 30 - sources ........page 32 Introduction: Dans l'opinion publique la mise au point de la machine à vapeur au XVIIIème siècle symbolise la capacité de l'homme à transformer la chaleur en travail. Si elle est en effet, avec tant d'autres innovations, à l'origine du processus d'industrialisation, elle a pourtant été conçue bien avant la découverte et la généralisation au XIXème siècle de la science de la chaleur; c'est à dire la thermodynamique. Ainsi la toute première machine à vapeur de Newcomen a vu le jour en 1712, dans la région de Devon, en Angleterre; elle permettait de d'évacuer l'eau dans les mines d'étain. Puis james Watt (1736-1819) l'a reprise et développée afin de limiter les pertes d'énergie et augmenter par conséquent les rendements de la machine. La première locomotive à vapeur qu'en à elle, n'a été construite qu'en 1804 par un ingénieur anglais nommé Richard Trevithick. En ce qui concerne les sciences, le début du XIXème siècle fut décisif; jusqu'à lors la chaleur était considérée comme un fluide: le calorique, théorie introduite par Lavoisier vers 1785, et les scientifiques pensaient que tous les phénomènes thermiques étaient véhiculés par ce fluide. C 'est à cette époque qu'émerge un nouveau concept qui considère la chaleur non plus comme une entité, mais comme résultat des mouvements moléculaires. Ces deux hypothèses s'affronteront dans le premier quart du XIXème siècle. La thermodynamique qui traite de l'énergie et de ses transformations, ne sera définit et établie que plus tard, vers 1840, bien que le savant français Sadi Carnot, l'eût introduit dans son livre Réflexions sur la puissance motrice du feu parut en 1824. Elle est fondée sur deux grands principes qui sont le principe de conservation et le principe de dissipation de l'énergie. Ainsi la controverse sur la définition de la chaleur comme fluide, ou comme mouvement s'achève et découlera du vainqueur (c'est à dire du concept introduisant le chaleur comme le résultat des mouvements moléculaires), une vision nouvelle du quotidien, mais aussi de l'univers; vision qui est aujourd'hui la notre. En quoi les principes fondamentaux de la thermodynamique ont-ils influencés les sciences, mais aussi le mode de vie des hommes? Nous débuterons notre étude avec le principe de conservation de l'énergie, illustré par l'expérience de James Joule, ensuite nous traiterons le second principe, celui de dissipation et enfin nous travaillerons sur les différentes perturbations qu'ont suscitées ces découvertes sur la société du XIXème siècle. Le premier principe de la thermodynamique affirme que la quantité totale d'énergie dans l'univers est constante,... I) a. En théorie, la chaleur est convertible comme tous les types d'énergies... La thermodynamique est une branche de la physique et de la chimie liée à l'étude du comportement thermique des corps, de l'énergie et de ses transformations. L'objet de la thermodynamique est est entre autre d'étudier le fonctionnement et le bilan d'énergie des machines thermiques et aussi les échanges ou transferts de chaleur dans un système* ou entre deux systèmes. dans les machines thermiques on assiste à une conversion d'énergie d'une forme en une autre (chaleur -> travail ou inversement) dans les échanges de chaleur, il y a transfert de chaleur par suite d'une différence de température entre deux objets ( voir second principe) On trouve dans la nature différentes formes d'énergies telles que l'énergie mécanique, thermique, électrique, magnétique, chimique ou encore nucléaire. La chaleur est synonyme d'énergie thermique, qui est une énergie microscopique liée à l'agitation des particules qui composent un système. Il faut impérativement distinguer chaleur (ou énergie thermique) et température. En effet la température est une grandeur macroscopique exprimant les énergies cinétiques des particules à l'échelle microscopique; de telle sorte qu'un système dont les particules sont plus agitées présentera une température d'équilibre plus élevée. La chaleur quant à elle est une grandeur dépendant de la nature de la transformation et des propriétés du système mises en jeu, elle correspond à l'énergie qu'il faut apporter ou enlever au système précédent pour le faire varier de température. Ainsi une transformation thermodynamique dépend entre autre de la capacité thermique (Cp) du corps mis en jeu. Cette grandeur extensive correspond à l'aptitude de ce corps à emmagasiner de la chaleur, autrement dit la quantité d'énergie qu'il faut apporter à un corps pour augmenter sa température de 1 degré Kelvin. Dans une transformation donnée, un apport ?Q de chaleur se traduit en général par une élévation ?T de la température du système. Cette relation est traduite par la formule: Q = m . Cp. ?T (m étant la masse du matériaux) qui permet de calculer la quantité de chaleur reçue par un matériaux en fonction de sa variation de température. La chaleur ne se transmet que selon trois modes précis. Le premier est la conduction, selon laquelle la chaleur se transmet par contact entre deux corps. Pour que ce transfert est lieu, il est nécessaire qu'il y est une différence de température entre ces deux corps. Le deuxième plus complexe est la convection, lors de celui-ci le transfert de chaleur entraîne un déplacement de matière, et inversement : le déplacement de matière favorise le transfert de chaleur (ex: « lampe à lave «). Le troisième mode de transfert thermique est le rayonnement, la particularité de celui dernier est qu'il ne nécessite pas le contact entre les deux corps. Ainsi le corps chaud émet de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques, qui sont susceptibles d'être absorbées, comme par exemple le rayonnement du Soleil. L'état d'un système en thermodynamique classique*, (et dans des conditions idéales) est décrit aujourd'hui à l'aide de variables thermodynamiques, telles que: la pression p, en pascal le température T, en Kelvin le volume V, en m3 la quantité de matière n, en moles Ces variables peuvent être de deux sortes: intensive, c'est à dire indépendante de la taille du système (soit les deux premières); ou extensive, qui dépende de la taille du système (les deux dernières). . (* se référer au lexique page 29 ) Un système peut échanger de l'énergie (sous forme de chaleur ou de travail, voir b.) ou de la matière avec son environnement, ainsi il existe différents types de systèmes selon la nature de la frontière les séparant: le système isolé, sans aucune interaction avec son environnement le système fermé peut échanger de la chaleur ou du travail le système ouvert peut échanger de la chaleur, du travail ou encore de la matière Historiquement les premiers travaux sur la chaleur et des ses propriétés ont débutés avec l'étude des gaz dans la deuxième moitié du XVIIème siècle, pendant laquelle a notamment emergé la loi des gaz parfaits. Julius Robert von Mayer, un médecin et physicien allemand, né le 25 novembre 1814, est considéré comme le pionnier de la thermodynamique. Il réalise de nombreux travaux sur ce sujet, qui lui vale la médaille Copley en 1871. En effet il formule en 1842 le premier principe de conservation de l'énergie, après avoir déterminer que les énergies (le terme d'énergie n'est pas encore employé à cette époque, puisqu'il n'est introduit qu'en 1850 par William Thomson, et on utilise plus communément le terme de puissance ou de « force « ) mécanique des muscles, chimique des aliments et la chaleur seraient équivalentes et mutuellement convertibles. Ses déductions sont les fruits d'observations réalisées lors d'un voyage en Indonésie. Il constate alors que le sang des mariniers européens, présents lors de son voyage, est plus foncé que lorsqu'ils étaient en Europe. Il explique cette différence de couleur par le fait que le sang sous les tropiques est plus chargé en oxygène car, la température extérieure y étant supérieure, la combustion des aliments permettant l'apport de chaleur au corps est moindre. Dès lors, comme ces forces se transforment les unes « dans « les autres, Mayer est convaincu que les « forces sont causes «, or les forces sont indestructibles par conséquent elle sont aussi « l'effet «. Or comme il n'y a pas d'effet sans cause, ni de cause sans effet il en arrive à la conclusion de l'équivalence entre les différentes formes d'énergies. Mayer entreprend de déterminer l'équivalence entre la disparition d'un mouvement et la production simultanée de chaleur, et inversement. Or le mouvement et la chaleur sont toutes deux des « forces «, bien qu'elles soient de natures différentes; son but est alors de déterminer un facteur de conversion entre ses forces. Il souhaite exprimer une relation numérique entre travail et chaleur, afin de donner une valeur approximative de ce qu'il nomme l'« équivalent mécanique de la chaleur «. En 1842, il publie un article dans Remarques sur les forces inanimées de la nature , où il détermine, grâce à une expérience relevant la hausse de température dans une pâte à papier agitée par un mécanisme motorisé, une valeur numérique de cette équivalence à 365 kgm pour une calorie*. Mais ses expériences sont jugées trop approximatives et ses travaux se seront reconnus par la communauté des sciences de l'époque. En 1845, il présente une relation, laquelle il tire de son étude sur les gaz parfaits, Cp - Cv = R, dans laquelle Cp la capacité thermique à pression constante, Cv la capacité thermique à volume constant, et R la constante des gaz parfaits*. Cependant ces travaux sur l'expansion et la compressions des gaz ne seront pas diffusés. La même année un expérimentateur hors paire, du nom de James Joules, travaille également sur la détermination de l'équivalent mécanique de la chaleur. Contrairement à Mayer, il parviendra à donner une valeur plus précise et surtout confirmer par plusieurs expériences, et aura la chance d'être rapidement reconnus. Robert Mayer découvrit aussi que les ...