La diffusion

Si l'on regarde attentivement, on peut d'abord apercevoir la fumée de la combustion. Puis, au bout d'un moment, elle disparaît. Avez-vous déjà utilisé du parfum ? Même si vous en vaporisez dans la pièce, les personnes à l'extérieur peuvent en sentir l'odeur. De même, si votre mère prépare un délicieux repas, l'arôme qui s'en dégage peut parvenir jusqu'à chez le voisin. Pourquoi ?

Il existe de nombreux autres exemples. Si vous versez quelques gouttes d'encre dans un verre d'eau claire, l'encre ou le colorant alimentaire se diffusera uniformément dans l'eau. Ce phénomène est automatique. Parmi les exemples précédents, on peut citer les phénomènes de diffusion que l'on observe fréquemment au quotidien. La diffusion est le processus par lequel une substance se déplace d'une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration. La concentration correspond au nombre de molécules (ou moles) d'une substance par unité de volume. Un lieu à forte concentration est un lieu où l'on trouve de nombreuses molécules de substance par unité de volume. Inversement, un lieu à faible concentration est un lieu où l'on trouve peu de molécules par unité de volume.

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Énergie interne d'un gaz parfait

Énergie dans un gaz parfait monoatomique

L'énergie d'un gaz parfait monoatomique correspond à la somme des énergies cinétiques de translation de ses molécules. Cette somme est égale au produit de l'énergie cinétique de translation moyenne de chaque molécule par le nombre de molécules (N). Mathématiquement :

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Théorème d'équipartition de l'énergie

Le théorème d'équipartition de l'énergie a été établi théoriquement par Clerk Maxwell à l'aide de la mécanique statistique. Il est qualifié de théorème car il ne repose pas sur une démonstration expérimentale. L'équipartition de l'énergie signifie sa distribution égale.

théorie de l'équipartition de l'énergie 1

KE = énergie cinétique de translation moyenne des molécules de gaz (Joule)

k = constante de Boltzmann = 1.38 x 10⁻²³ J/K

T = température absolue de la molécule de gaz parfait (Kelvin)

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Énergie cinétique moyenne des gaz

Outre la pression, la température (T) est une grandeur qui caractérise la nature macroscopique d'un gaz. Équation de la pression d'un gaz :

Énergie cinétique moyenne des gaz 1

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Théorie cinétique des gaz

La théorie cinétique stipule que toute substance est constituée d'atomes ou de molécules et que ces atomes ou molécules sont en mouvement perpétuel. Cette hypothèse correspond à la situation et à l'état des atomes ou molécules constituant un gaz. La force d'attraction entre les atomes ou molécules d'un gaz étant faible, ces derniers peuvent se déplacer librement.

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Loi Boyle, loi Charles, loi Gay-Lussac

Loi de Boyle, loi de Charles, loi de Gay-Lussac

la loi de Boyle

Robert Boyle (1627-1691) a mené des expériences pour étudier la relation quantitative entre la pression et le volume d'un gaz. L'expérience consiste à introduire une certaine quantité de gaz dans un récipient fermé. Avec une méthode relativement précise, il a constaté que si la température du gaz était maintenue constante, alors lorsque la pression du gaz augmentait, son volume diminuait. Inversement, lorsque la pression du gaz diminuait, son volume augmentait. La pression d'un gaz est inversement proportionnelle à son volume. Cette relation est connue sous le nom de loi de Boyle. Mathématiquement :

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La loi des gaz parfaits

Les lois des gaz de Boyle, de Charles et de Gay-Lussac ne s'appliquent pas à toutes les conditions, ce qui complexifie notre analyse. C'est pourquoi nous proposons le modèle du gaz parfait. Le gaz parfait n'existe pas dans la réalité ; il constitue une représentation idéale facilitant l'analyse. L'existence de ce concept nous aide également à examiner la relation entre les trois lois des gaz.

La relation entre la température, le volume et la pression du gaz

En nous référant aux trois lois des gaz mentionnées ci-dessus, nous pouvons établir une relation plus générale entre la température, le volume et la pression du gaz.

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Entropie

L'énoncé spécifique du second principe de la thermodynamique ne peut décrire tous les processus irréversibles ; il est donc nécessaire de formuler un énoncé général. Cet énoncé général est censé expliquer tous les processus irréversibles se produisant dans l'univers. L'énoncé général du second principe de la thermodynamique a été formulé au milieu du XIXe siècle, à travers une grandeur appelée entropie (S). L'entropie a été introduite par Clausius et formulée à partir du cycle de Carnot (machine calorique parfaite). Selon Clausius, un système subit des variations d'entropie lorsqu'il reçoit un apport de chaleur supplémentaire (Q) à température constante, ce qui est représenté par l'équation :

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Coefficient de performance de la machine frigorifique

Article sur le coefficient de performance de la machine frigorifique

Une machine frigorifique est une machine qui prélève de la chaleur d'un endroit à basse température pour la transférer vers un endroit à haute température. Pour que ce processus ait lieu, la machine doit fournir un effort, car la chaleur se propage naturellement des zones chaudes vers les zones froides. Ceci est conforme à l'énoncé de Clausius :

Il est impossible pour une machine frigorifique de transférer de la chaleur d'un endroit à basse température vers un endroit à haute température sans travail (Deuxième loi de la thermodynamique – énoncé de Clausius).

La machine fonctionne (W) pour transférer de la chaleur, de la basse température (Q L ) à la haute température (Q H ). Sur la base de la conservation de l'énergie, Q L + W = Q H.

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Moteur thermique de Carnot et cycle de Carnot

Pour déterminer comment améliorer le rendement de la machine thermique , le scientifique français Sadi Carnot (1796-1832) étudia en 1824 une machine calorique théorique idéale. À cette époque, ni le premier ni le second principe de la thermodynamique n'avaient été formulés. Le premier principe n'existait pas encore car les scientifiques ignoraient que la chaleur est une forme d'énergie. Après les expériences de Joule et de ses collègues dans les années 1830, les scientifiques découvrirent que la chaleur est une énergie qui se déplace sous l'effet des différences de température. Le premier principe de la thermodynamique fut donc formulé après 1830. En 1824, Sadi Carnot menait des recherches sur la machine calorique théorique idéale. Ses travaux visaient en réalité à améliorer le rendement des machines à vapeur, dont la plupart étaient alors peu performantes.

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