Tutoriels de physique de base

Deuxième loi de la thermodynamique

Pour expliquer les processus thermodynamiques irréversibles, les scientifiques ont formulé le second principe de la thermodynamique. Ce principe explique quels processus peuvent se produire dans l'univers et quels processus ne peuvent pas se produire. Un scientifique du nom de RJE Clausius (1822-1888) a fait la déclaration suivante :

Naturellement, la chaleur se déplace des objets à haute température vers les objets à basse température ; naturellement, la chaleur ne se déplace pas des objets à basse température vers les objets à haute température (Deuxième loi de la thermodynamique – énoncé de Clausius).

L'énoncé de Clausius est un énoncé particulier du second principe de la thermodynamique. Il est dit particulier car il ne s'applique qu'à un seul processus : le transfert de chaleur. Puisqu'il ne s'applique pas à d'autres processus, un énoncé plus général est nécessaire. L'élaboration d'un énoncé général du second principe de la thermodynamique repose sur l'étude des moteurs thermiques. C'est pourquoi nous aborderons d'abord la chaleur dégagée par ces moteurs.

Processus thermodynamiques : isotherme, adiabatique, isochore, isobare

Article Processus thermodynamiques : Isotherme Adiabatique Isochore Isobare

Il existe quatre processus thermodynamiques, à savoir les processus isothermes, isochores, isobares et adiabatiques.

Processus isotherme (température constante)

Dans un processus isotherme, la température du système est maintenue constante. Théoriquement, le système analysé est un gaz parfait. La température d'un gaz parfait est directement proportionnelle à son énergie interne (U = 3/2 n RT). Puisque T ne varie pas, U ne varie pas non plus. Ainsi, appliquée au processus isotherme, la première loi de la thermodynamique devient :

Première loi de la thermodynamique

processus thermodynamique

La chaleur (Q) est l'énergie qui se déplace d'un objet à un autre en raison d'une différence de température. Dans le cas des systèmes et des environnements, la chaleur correspond à l'énergie qui se déplace du système vers l'environnement ou inversement, du fait de la différence de température. Si la température du système est supérieure à la température ambiante, la chaleur se propage du système vers l'environnement. Si la température ambiante est supérieure à la température du système, la chaleur se propage de l'environnement vers le système.

La chaleur (Q) est une énergie qui se déplace en raison d'une différence de température, tandis que le travail (W) est lié au transfert d'énergie par l'action d'un travail. Par exemple, si le système effectue un travail sur l'environnement, de l'énergie est transférée du système vers l'environnement. Inversement, si l'environnement effectue un travail sur le système, de l'énergie est transférée de l'environnement vers le système.

Collisions inélastiques

La loi de conservation de l'énergie cinétique ne s'applique pas aux collisions inélastiques. La loi de conservation de la quantité de mouvement s'applique aux collisions inélastiques uniquement si aucune force extérieure n'agit sur les deux objets en collision. Lors d'une collision inélastique, les deux objets restent collés l'un à l'autre après le choc.

Exemple de question 1.

Deux objets ont la même masse, soit 1 kg. L'objet 1 se déplace sur un plan horizontal à une vitesse de 10 m/s et entre en collision avec l'objet 2, initialement au repos. Après la collision, les deux objets restent collés. Quelle est la vitesse des deux objets après la collision ?

Collisions partiellement élastiques

In partially elastic collisions, the law of conservation of momentum is applicable, while the conservation of kinetic energy law is not applicable. At the time a collision takes place, some kinetic energy is converted to sound energy, heat energy, and internal energy. The use of the word elastic signifies that after the collision, the two objects do not stick together but bounce off.

An example of partially elastic collision is the one-dimensional collision of two marbles or two pool balls.

Conservation de la quantité de mouvement linéaire

La loi de conservation de la quantité de mouvement linéaire stipule que s'il n'existe aucune force extérieure agissant sur deux objets entrant en collision, la quantité de mouvement des objets avant la collision est égale à la quantité de mouvement des objets après la collision.

p₁ +p₂=p₁ ' + p₂ ' ………………….. Équation 1.4

m₁v₁ +m₂ v₂ = m₁ v₁' + m₂ v₂»

Si, après la collision, les deux objets restent collés,

m₁v₁ +m₂ v₂ = (m₁+m₂ ) v'

Collisions parfaitement élastiques

On dit qu'une collision entre deux objets est parfaitement élastique si la quantité de mouvement ou l'énergie cinétique de chaque objet avant la collision est égale à sa quantité de mouvement et à son énergie cinétique après la collision. Autrement dit, les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie cinétique s'appliquent aux collisions parfaitement élastiques. Le terme « élastique » indique qu'après la collision, les deux objets ne restent pas collés l'un à l'autre mais rebondissent. La quantité de mouvement de chaque objet est conservée.

La quantité de mouvement de chaque objet est conservée.

Principe de l'énergie mécanique du travail

Le théorème de l'énergie cinétique stipule que le travail net, ou le travail effectué par la force résultante, est égal à la variation d'énergie cinétique.

W_net= À_t - À_o= 1/2 m(v_t² - v_o²)

W_net Il existe deux types de forces : les forces conservatives et les forces non conservatives. Le travail net peut donc être considéré comme la somme du travail effectué par une force conservative et du travail effectué par une force non conservative.

W_c + W_nc = ΔKE

Travail effectué par les forces conservatives Énergie potentielle

Considérons un objet qui se déplace verticalement vers le haut, puis revient à sa position initiale après avoir atteint une hauteur maximale. Lors de ce mouvement ascendant, le poids de l'objet effectue un travail négatif. Sa hauteur augmente, et par conséquent son énergie potentielle gravitationnelle. On peut donc conclure que le travail négatif effectué par le poids est égal à l'augmentation de l'énergie potentielle gravitationnelle de l'objet.

Force conservatrice et force non conservatrice

1. Force conservatrice

1.1 Poids (w)

Force conservatrice et force non conservatrice 1 Observez un objet qui se déplace verticalement vers le haut jusqu'à atteindre une hauteur maximale avant de redescendre vers sa position initiale. Lors de ce déplacement vertical de distance h, le poids exerce un travail de sens opposé au déplacement de l'objet. Par conséquent, le poids effectue un travail négatif sur l'objet.

W = wh (cos 180^o) = – wh = – mgh

Après avoir atteint une hauteur maximale, l'objet se déplace vers le bas, en direction de sa position initiale, d'une distance h. Lors de ce mouvement descendant, le poids est orienté dans le même sens que le déplacement. Par conséquent, le poids effectue un travail positif.