Thermodynamique

Vue d’ensemble§

La thermodynamique est l’étude des transferts d’énergie et de chaleur, et de leurs effets sur la matière. Elle repose sur quatre lois fondamentales qui gouvernent l’univers.

Les quatre lois de la thermodynamique§

Loi zéro : Équilibre thermique§

Si A est en équilibre avec B, et B avec C, alors A est en équilibre avec C.

• Permet de définir la température
• Base des thermomètres

Première loi : Conservation de l’énergie§

L’énergie ne se crée ni ne se détruit, elle se transforme.

ΔU = Q - W

• ΔU : variation d’énergie interne
• Q : chaleur reçue
• W : travail fourni

Équivalent : E_totale = constante

Deuxième loi : Entropie§

L’entropie d’un système isolé ne peut qu’augmenter (ou rester constante).

ΔS ≥ 0

Formulations :

Clausius : La chaleur ne passe spontanément que du chaud au froid

Kelvin : Impossible de convertir intégralement la chaleur en travail

Conséquences :

• Flèche du temps (irréversibilité)
• Dégradation de l’énergie
• Mort thermique de l’univers

Entropie :

S = k ln Ω

• k : constante de Boltzmann
• Ω : nombre de micro-états

Interprétation statistique : Mesure du désordre

Troisième loi : Zéro absolu§

Il est impossible d’atteindre le zéro absolu (0 K = -273,15°C) en un nombre fini d’opérations.

Au zéro absolu :

• S = 0 (cristal parfait)
• Mouvement thermique nul

Concepts fondamentaux§

Température§

Mesure de l’agitation thermique

Échelles :

• Celsius : °C
• Kelvin : K (absolue)
• Fahrenheit : °F

Conversions :

• K = °C + 273,15
• °F = °C × 9/5 + 32

Chaleur (Q)§

Transfert d’énergie thermique

Modes de transfert :

1. Conduction : Contact direct (métaux)
2. Convection : Déplacement de fluide (eau bouillante)
3. Rayonnement : Ondes EM (Soleil)

Capacité thermique :

Q = mcΔT

• m : masse
• c : capacité thermique massique
• ΔT : variation de température

Travail (W)§

Transfert d’énergie mécanique

W = ∫ P dV

• P : pression
• V : volume

Énergie interne (U)§

Somme des énergies microscopiques (cinétique + potentielle)

Gaz parfait :

U = (3/2) nRT

Enthalpie (H)§

H = U + PV

• Utile pour transformations à pression constante
• Chaleur de réaction chimique

Énergie libre de Gibbs (G)§

G = H - TS

• Prédit spontanéité des réactions
• ΔG < 0 : réaction spontanée
• ΔG = 0 : équilibre

Machines thermiques§

Moteur thermique§

Convertit chaleur en travail

Rendement :

η = W / Q_chaud

Cycle de Carnot (idéal) :

η_Carnot = 1 - T_froid / T_chaud

Exemples :

• Moteur à combustion
• Centrale thermique
• Machine à vapeur

Réfrigérateur / Pompe à chaleur§

Transfert chaleur du froid au chaud (avec travail)

Coefficient de performance (COP) :

COP = Q_froid / W

Réfrigérateur de Carnot :

COP_Carnot = T_froid / (T_chaud - T_froid)

Gaz parfait§

Équation d’état§

PV = nRT

• P : pression
• V : volume
• n : quantité de matière (mol)
• R : constante des gaz parfaits (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹)
• T : température

Transformations§

Isotherme (T = cste) :

• PV = cste

Isobare (P = cste) :

• V/T = cste

Isochore (V = cste) :

• P/T = cste

Adiabatique (Q = 0) :

• PV^γ = cste
• γ = C_p / C_v

Entropie et désordre§

Interprétation statistique (Boltzmann)§

S = k ln Ω

• Plus de micro-états = plus d’entropie
• Système évolue vers l’état le plus probable

Exemple :

• Gaz dans un coin : peu probable (faible S)
• Gaz réparti uniformément : probable (forte S)

Flèche du temps§

L’entropie explique pourquoi le temps semble avoir une direction.

• Passé : faible entropie
• Futur : haute entropie
• Verre brisé ne se reconstruit pas spontanément

Mort thermique de l’univers§

Hypothèse :

• L’univers tend vers l’équilibre thermique
• Entropie maximale
• Plus de travail possible
• Température uniforme

Applications§

Ingénierie§

• Moteurs (voitures, avions)
• Centrales électriques
• Climatisation, réfrigération

Chimie§

• Thermochimie (réactions)
• Équilibres chimiques
• Enthalpie de formation

Biologie§

• Métabolisme (ATP)
• Homéostasie (température corporelle)

Informatique§

• Refroidissement des processeurs
• Limites thermodynamiques du calcul

Cosmologie§

• Big Bang (entropie initiale faible)
• Trous noirs (entropie gigantesque)

Grands scientifiques§

Sadi Carnot (1796-1832) : Cycle de Carnot, rendement maximal

Rudolf Clausius (1822-1888) : Concept d’entropie

William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) : Échelle absolue de température

Ludwig Boltzmann (1844-1906) : Interprétation statistique

Josiah Willard Gibbs (1839-1903) : Énergie libre, thermodynamique chimique

James Clerk Maxwell (1831-1879) : Distribution des vitesses, démon de Maxwell

Paradoxes et questions§

Démon de Maxwell§

Créature hypothétique qui trie les molécules rapides et lentes

• Semble violer la 2e loi
• Résolution : information = entropie

Flèche du temps§

• Pourquoi l’entropie était-elle faible au Big Bang ?
• Condition initiale ou loi physique ?

Trous noirs§

• Entropie proportionnelle à la surface (pas au volume !)
• S = k A / (4 l_p²)
• Lien avec gravité quantique

Liens connexes§

• Mécanique quantique - Thermodynamique quantique
• [[../Chemistry/Chimie]] - Thermochimie
• [[Mécanique statistique]] - Fondements microscopiques

Ressources§

Livres :

• “Thermodynamique” - José-Philippe Pérez
• “Thermodynamics and Statistical Mechanics” - Greiner
• “The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction” - Peter Atkins

Cours :

• MIT OCW : 5.60 Thermodynamics & Kinetics
• Khan Academy : Thermodynamics

Créé le : 2026-01-01
Dernière mise à jour : 2026-01-01