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La définition du travail en thermodynamique
Nous pensons généralement au travail dans le sens mécanique, où l'énergie est transférée d'un endroit à un autre par le biais d'une force. Nous pouvons également penser à ce concept en termes de thermodynamique, où l'énergie d'un système thermodynamique est transférée dans un autre système thermodynamique.
Dans le domaine de la physique, le travail est défini comme l'énergie qui est transférée lorsqu'une force s'exerce sur un objet de masse sur une certaine distance.
Avant d'approfondir la question du travail en termes de thermodynamique, examinons d'abord la thermodynamique dans son ensemble et ce qu'elle est exactement. La thermodynamique est une section entière de la physique qui concerne la chaleur. Plus précisément, la façon dont la chaleur interagit et se transfère entre d'autres types d'énergie, et la relation générale que la chaleur entretient avec toutes les formes d'énergie. Nous savons que le travail est un transfert d'énergie, et en thermodynamique, le travail n'est jamais effectué qu'au sens mécanique.
La première démonstration du travail dans un système thermodynamique a été réalisée lors d'une expérience conçue par James Joule en 1845. James a suspendu une roue à aubes dans une étendue d'eau, avec une corde et un poids attachés à l'extérieur de l'eau, avec la possibilité de tomber au fur et à mesure que la roue tournait. La roue a tourné et James a remarqué que l'augmentation de la température de l'eau due au mouvement mécanique avait une relation directe avec la hauteur à laquelle le poids sur la corde tombait. À partir de ces informations, James Joule a pu déterminer l'équivalent mécanique de la chaleur, à savoir \(4,4\\Nmathrm{joules\N, par\N, calorie}\N), l'unité d'énergie étant bien sûr nommée d'après James lui-même.
Schéma simple du montage de l'expérience de James Joules, McGill
Le travail dans les processus thermodynamiques
Nous savons maintenant comment le travail est lié à la thermodynamique, mais qu'est-ce qu'un processus thermodynamique ? Un processus thermodynamique est tout simplement la façon dont le travail peut être effectué entre des systèmes thermodynamiques. Un système thermodynamique est un espace confiné avec de la matière à l'intérieur duquel des processus thermodynamiques vont avoir lieu. Il y a au moins une poignée de variables à prendre en compte dans un système thermodynamique, et encore plus dans le transfert d'énergie entre deux ou plusieurs systèmes. Les changements de ces variables au fur et à mesure que le travail est effectué sont ce qui différencie un processus thermodynamique d'un autre. Examinons quelques processus thermodynamiques différents dans le contexte d'un gaz comme système thermodynamique.
Unprocessus adiabatique se produit lorsque la seule énergie transférée vers ou depuis un système est le travail effectué sur ou par le système. L'énergie est transférée vers l'extérieur pour le gaz qui effectue un travail et l'énergie est transférée dans le gaz lorsqu'un travail externe est effectué sur lui.
Unprocessus isobare se produit lorsque la pression du gaz dans un système est constante. Le plus souvent, les réactions chimiques se déroulent à pression constante, ce qui en fait des processus isobares.
Unprocessus isochore se produit lorsque le volume de gaz dans un système thermodynamique est constant. Les gaz brûlés dans le moteur d'une voiture sont un bon exemple de processus isochore. Ces gaz changent généralement de température et de pression, mais leur volume est constant.
Unprocessus isotherme, selon ce schéma, sera à son tour un système dans lequel la température du gaz est constante. La fonte de la glace reste à une température constante et constitue un exemple de processus isotherme.
Le travail utile en thermodynamique
Avant de parler du travail utile en thermodynamique, voyons d'abord ce qu'est le travail utile. Le travail utile est décrit comme la partie du travail effectué qui transfère directement de l'énergie utile. À l'opposé, il y a le travail résiduel. Dans un système, il y aura toujours une certaine quantité d'énergie qui sera dissipée sous une autre forme, c'est-à-dire qu'il n'y aura jamais un transfert parfait de 100 % d'énergie utile. Le travail effectué qui est associé à ce transfert d'énergie perdue est le travail perdu effectué.
Ainsi, le travail utile en thermodynamique peut être décrit très simplement comme la production utile d'un système thermodynamique, la différence entre le travail d'entrée dans le système et le travail de déchet.
\(\mathrm{Travail utile=Total\:travail - Déchets\:travail}\)
Un système thermodynamique produit un travail total de \(200\,000\,\mathrm{J}\), et \(5\%\) de ce travail est du gaspillage. Quelle est la part de travail utile ?
Dans ce cas, nous pouvons simplement prendre \N(5\N%\N) de notre travail total, et le soustraire de notre travail total pour obtenir notre valeur pour le travail utile comme suit :
\N(200 000 \Nfois 0,05 = 10 000 \N,\Nmathrm{J}\N)
\N(200 000 - 10 000 = 190 000 \Nmathrm{J}}\N)
Cela signifie que \(190\N000\Nmathrm{J}\N) du travail utile est effectué par le système.
La formule du travail en thermodynamique
Le travail a plusieurs sens, comme nous l'avons vu précédemment. Cela signifie que de nombreuses équations différentes sont utilisées pour calculer le travail. Dans un système thermodynamique, cependant, cette formule est la plus utilisée et la plus largement applicable :
\(W=\Delta U-Q\)
Où \(W\) est le travail effectué sur ou par un système, \(Q\) est la chaleur qui entre ou sort d'un système, et \(\Delta U\) est le changement dans l'énergie interne d'un système. La formule ci-dessus est l'expression mathématique de la première loi de la thermodynamique. Cette équation définit toutes ces variables et leur relation entre elles dans un système thermodynamique. Par exemple, nous savons maintenant que si nous voulons que le travail thermodynamique reste constant et que l'énergie interne diminue, nous devons alors augmenter la quantité de chaleur qui entre dans le système.
Un concept sans doute tout aussi important en termes de travail thermodynamique est la relation entre la pression et le volume dans un système thermodynamique. Ces variables sont utilisées directement dans la résolution du travail, comme indiqué ci-dessous :
\(W=-P\Delta V\)
Où \(P\) est la pression extérieure agissant sur le système, et \(\Delta V\) est le changement de volume pendant que le système effectue un travail. Si le système effectue un travail externe, \(W<0\) et si une force externe effectue un travail sur le système, \(W>0\). Note que cette méthode ne fonctionne que pour un processus isobare avec une pression constante (P). Essentiellement, le travail effectué sur un système à pression constante, dans lequel le volume change, est l'aire sous un graphique \(P-V\). Ceci est illustré par le graphique ci-dessous.
L'aire sous un graphique de P en fonction de V est le travail effectué par un système thermodynamique à pression constante, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Exemples de travail en thermodynamique
Maintenant que nous avons vu quelles équations sont utilisées pour calculer le travail effectué dans un système thermodynamique, essayons de les mettre en pratique.
Considère un système thermodynamique d'un gaz contenu dans un cylindre par un piston comme le montre la figure ci-dessous. Le piston est déplacé vers l'intérieur, comprimant ainsi le gaz. Le volume du gaz diminue de \(50\\N,\Nmathrm{m^{3}}\N) alors que le piston applique une pression constante de \N(10\N,\Nmathrm{N/m^{2}}\N). Quel est le travail effectué sur le gaz ?
Gaz contenu dans un cylindre par un piston mobile, adapté de l'image de Dpumroy CC BY-SA 3.0
Pour résoudre cette question, nous devons d'abord examiner nos variables et voir quelles équations possèdent ces deux éléments. Nous savons que nous avons la pression et le volume, nous avons donc besoin de notre deuxième équation. Nous savons également qu'un travail est effectué sur le gaz et qu'il gagne donc de l'énergie et de l'énergie (W>0). En plaçant nos chiffres dans l'équation, nous obtenons ceci :
\N-( \N- Début{align}) W&=-P\NDelta V \N-(10\Nmathrm{N\Nm^{2})\Nfois(-50\Nmathrm{N\Nm^{3}) \N-+\Nmathrm{N\Nm{3}) \N-+\Nmathrm{N\Nm{3} \N-+\Nmathrm{N\Nm{Nm} \N- &=+\N- 500\N- \N- \N- \N- \N- \N- \N- \N- \N-{J} \N-nd{align} \)
Remarque que notre changement de volume est négatif puisque le gaz est comprimé. Notre réponse finale est \(+\N500,\Nmathrm{J}\N), ce qui est logique puisqu'un travail est effectué sur le gaz.
L'énergie interne d'un système thermodynamique augmente de \N(50\N,\Nmathrm{J}\N), le travail effectué sur le système étant égal à \N(25\N,\Nmathrm{J}\N). Quelle quantité de chaleur est entrée dans le système en Kelvin ?
Une fois de plus, nous devons examiner les équations dont nous disposons et déterminer laquelle utilise les variables dont nous disposons. Ce faisant, nous pouvons constater que la première équation le fait, mais nous allons devoir la modifier quelque peu. Dans cette équation, c'est le travail effectué qui est au centre de l'attention, nous devons donc la réarranger pour résoudre la température, ce qui nous donne cette équation à la place :
\(Q=\Delta U-W\)
Le travail effectué est positif puisqu'un travail est effectué sur le système et que la variation de l'énergie interne est positive. Après cela, c'est aussi simple que notre exemple précédent, introduis les nombres que nous avons :
\(Q=50\,\mathrm{J}-25\,\mathrm{J}=25\,\mathrm{J}\)
Ce qui, additionné, nous donne une chaleur de \(25\,\mathrm{J}\) entrant dans le système.
Le travail en thermodynamique - Principaux enseignements
- Le travail en thermodynamique est l'énergie transférée d'un système thermodynamique à un autre système thermodynamique, souvent un transfert de l'énergie thermique à une autre forme d'énergie.
- Il existe de nombreux types de processus thermodynamiques, notamment les processus adiabatiques, isobariques, isochoriques et isothermes.
- Les formules du travail effectué dans un système thermodynamique sont \(W=\Delta U-Q\) et \(W=-P\Delta V\).
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