Bonjour,

Alors j'aurais besoin d'explication, le premier principe de la thermodynamique dit que: au cours d'une transformation d'énergie d'un système, isolé il y a conservation d’énergie.

Alors lorsqu'on parle de transformation on parle de transfert d'énergie potentielle (interne et/ou mécanique) -> énergie cinétique (interne et/ou mécanique) ou inversement?

Ensuite un système isolé c'est un peu lié à la notion de référentiel? De façon plus général qu'es ce qu'un système isolé?

Pourriez-vous m'expliquer le deuxième principe de la thermodynamique, j'ai du mal avec la notion d'entropie :/ 

Merci d'avance

En thermodynamique, on distingue  le système thermodynamique étudié du milieu extérieur séparé par une frontière. Cette distinction peut être physique ou virtuelle.  Formellement le milieu extérieur est le reste de l'univers . En pratique il est bien évident que on le définit plus raisonnablement par ce qui peut avoir une influence significative sur  les échanges d'énergie. Mais définir incorrectement le milieu extérieur est une cause d'erreur fréquente dans les problèmes de thermo.

Les définitions principales sont alors les suivantes:

système isolé: pendant une transformation, il n'échange ni chaleur, ni travail, ni  matière avec le milieu extérieur. Au sens strict, cela n'existe pas mais en première approximation, une transformation dans une enceinte rigide calorifugé sera un système isolé. 

système fermé: pendant une transformation, il n'échange pas de matière mais peut échanger chaleur et travail, c'est une catégorie de problème très usuelles 

 système ouvert : il peut échanger chaleur, travail et matière. c'est souvent le cas en thermochimie  

Le premier principe est le principe de conservation de l'énergie totale d'un système isolé. Si le système n'est pas isolé il continue à s'appliquer si on considère système + milieu extérieur. Donc , la variation d'énergie d'un système+ ce qui est échangé avec l' extérieur se conserve.

Pour l'application du premier principe , il faut prendre en compte toutes les formes d'énergie entrant en jeu dans une transformation:

- macroscopique : énergie cinétique, énergie potentielle de toute nature ( y compris chimique, électrique, nucléaire ...)

- microscopique caractérisé à l'échelle macroscopique par l'énergie interne du système , qui est une des fonctions d'état fondamentale de la thermodynamique classique

Selon le problème étudié et la précision cherchée,  il peut y avoir un découplage entre le bilan macroscopique et microscopique.

Dans les problèmes de mécanique classique, le bilan se réduit souvent à un échange entre énergie cinétique et potentielle de gravitation et on évoque rarement le premier principe dans ce cas, mais un bilan du type \(E_c +E_P=Cte\) relève du premier principe .

A contrario dans beaucoup de problèmes thermodynamiques, le système est considéré au repos et les échanges macroscopiques sont négligés. On trouve alors la forme classique et fondamentale du premier principe \(dU=\delta W+\delta Q \)  . La variation d'énergie interne est égale à la somme ( algébrique, attention aux signes dans les échanges !) du travail et de la chaleur échangée avec le milieu extérieur.  Un domaine de prédilection est l'étude des cycles thermodynamiques et de machines thermqiues

Il existe enfin une catégorie de problème où le bilan porte sur l'échelle microscopique et macroscopique. C'est par exemple le cas dans le bilan énergétique général en mécanique des fluide.  Mais si on prend l'exemple banal d'un problème mécanique avec frottements, le déficit d'énergie cinétique est associé à  l'échauffement du corps donc à sa variation d'énergie interne.

Pour le second principe et la notion d'entropie,  il faudrait que tu en dises un peu plus que "j'ai du mal avec l'entropie". Il faudrait dire à quel niveau tu es sur le sujet et être un peu plus précis sur ce que tu ne comprends pas, parce que faire un exposé structuré sur le sujet  dépasse un peu l'objectif d'un forum.

Il est clair que c'est une notion caractérisant l'irréversibilité des transformations, délicate à comprendre en profondeur, puisque son sens profond fait appel à la physique satatistique .  

La définition "moderne" que on trouve dans les cours est assez abstraite 

"A tout système thermodynamique est associée une fonction d'état S appelée entropie qui est une grandeur extensive. L'entropie d'un système isolé évoluant de manière irréversible croit jusqu'à l'établissemnt d'un nouvel état d'équilibre. Cette entropie reste constante si la transformation est  réversible" 

On postule  donc a priori l'existance de cette fonction, et on en déduit les propriétés qu'elle doit avoir pour traduire la physique des phénomènes irréversibles correctement. On a par exemple l'identité fondamentale  de la thermodynamique pour les sytèmes fermés  liant l'entropie à l'énergie interne \(dU=TdS -pdV\) . As tu dejà étudié cela? 

Cette définition  n'est pas  immédiatement  éclairante sur le lien avec la définition historique du second principe sous une des deux formes suivantes:

- on ne peut sans dépense de travail faire passer de la chaleur d'un corps froid à un corps chaud

- pour fournir du travail au cours d'un cycle, un système doit échanger de la chaleur avec au moins deux sources de chaleur à des températures différentes.  

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Edité par Sennacherib 1 septembre 2017 à 12:02:51

Bonjour!

Merci de ta réponse 

Alors pour le premier principe j'ai donc compris, mais une autre question me vient, si on veut définir un objet isolé on néglige certaines forces alors, par exemple pour une chute d'un objet avec une hauteur peu élevé on peut négliger les échanges de chaleurs avec l'air et donc l'isolé? Mais si l'objet chute d'une très grande hauteur il va échanger trop de chaleur avec l'air et donc on ne peut plus l'isoler?

Ensuite j'ai entendu parlé de force conservatrice, alors d'après ce que j'ai compris, lorsqu'on peut définir une force conservatrice, on peut définir l'énergie potentielle et enfin l'énergie cinétique, et dans ce cas le chemin du travail exercé par l'objet n'a pas d'importance. Dans le cas d'une force non conservatrice, le travail dépend du chemin parcouru et on ne peut pas définir l'énergie potentielle et donc l'énergie cinétique à l'avance, es-ce que c'est vrai? 

Exemples de forces conservatrices: force gravitationnelle, force électrostatique

Exemples de forces non-conservatrices: frottement, force que peut exercer un humain sur un objet (pousser)

Comment reconnaître une force conservatrice? 

Le travail c'est bien la variation d'énergie? \(\Delta E = P \times t \)

La puissance c'est bien la variation d'énergie pendant un laps de temps? \( P=\frac{\Delta E}{t} \)

Alors ce que j'ai appris de l'entropie c'est un mot qu'on peut remplacer par analogie par "désordre" qui correspond au "désordre" des molécules, on m'a expliquer avec les gaz, si on fait le vide dans une pièce lorsqu'on ouvre la porte l'air va chercher à combler tout le vide, son entropie augmente jusqu'à équilibre, c'est-à-dire, jusqu'à que le vide soit comblé. Dans ce cas le travail est interne au système isolé, c'est l'air qui a exercé son propre travail. Si on veut refaire le vide on est obligé d'exercer un travail extérieur sur le système. Donc cela signifie qu'un système isolé ne peut que conserver ou augmenter son entropie, c'est irréversible. Je pense que ce que je comprend pas totalement c'est cette notion de travail. 

Merci d'avance.

quelques précisions complémentaires

Système isolé

comme déjà dit, un système isolé strictement n'existe pas ( sauf éventuellement l'univers entier en l'état de nos connaissances !). Dans l'exemple de la chute, l'objet est soumis au champ gravitationnel et en toute rigueur, le système isolé correct, c'est objet +Terre .  Néanmoins, l'influence de l’objet sur le mouvement terrestre est totalement négligeable (sauf si cet objet était une autre planète!) Donc on peut appliquer le théorème de conservation de l'énergie à l'objet seul et dans le vide on aurait donc \( E_c +E_P =Cte \)

Si l'objet chute dans l'air ,  on ne peut négliger le frottement et l'échauffement résultant dés que la hauteur de chute est importante et /ou la vitesse trés importante. L'échauffement d'un météorite ou d'un satellite rentrant dans l'atmosphère est considérable.

 Il suffit de considérer alors l'objet +le milieu extérieur (ici l'air environnant) pour appliquer la conservation de l'énergie . Le premier principe va s'écrire  \( E_c +E_P +U=Cte \), \(U\) énergie interne  dont la variation est égale à l'échange d'énergie avec l'air selon le premier principe. 

force conservative ( et non conservatrice !) 

Si une force est conservative, elle dérive d'un potentiel scalaire \(\vec{F}= -\overrightarrow{grad}(U)\)

Pour savoir si un  force est conservative, il faut connaitre la loi définissant   cette force . Si elle est conservative, son travail le long d'un chemin entre deux points doit être indépendant de ce  chemin. On doit donc vérifier que l'intégrale \(W=\int_{\Gamma} \vec{F}.\overrightarrow{dr}\) ne dépend que  de \(A,B\) point de départ et d'arrivée d'un chemin quelconque \(\Gamma\) entre \(A,B\).

Pour les forces non conservatives, le travail dépend du chemin suivi . On peut dire qu'il y a en thermodynamique deux catégories importantes de forces non conservatives:

- les forces dissipatives type frottement, dont le travail est en général perdu en chaleur.

- les forces de pression auxquelles on ne pense pas nécessairement , le travail des forces de pression joue un rôle fondamental pour les transformations des systèmes gazeux en particulier.

Sur le sujet, la deuxième partie de la phrase suivante est alors pas trés claire:

"Dans le cas d'une force non conservatrice, le travail dépend du chemin parcouru et on ne peut pas définir l'énergie potentielle et donc l'énergie cinétique à l'avance, es-ce que c'est vrai? "

 Qu'entends tu par "à l'avance". Même pour des forces conservatives, le résultat dépend d'autres hypothèse que le chemin suivi et il y a toujours un certain calcul à faire. Tu ne connais pas à l'avance la vitesse d'un objet en chute libre si tu ne connais pas la hauteur de chute ou la vitesse initiale.

Par contre, la prédiction en présence de forces non-conservatives sera  plus difficile en général. Souvent on ne connait pas bien les lois définissant ces forces et on utilise des approximations plus ou moins valables ( exemple: frottement constant, proportionnel  à la vitesse, au carré de la vitesse , pression  mal définie au cours de la transformation brutale d'un gaz  etc...)  et on doit en plus intégrer selon un chemin bien précis.

 travail =variation d'énergie ?

ce que tu dis n' est pas faux si on définit bien de quoi on parle mais trop vague pour savoir ce que tu entends par là.

quelques exemples 

  à l'échelle macroscopique pour un système mécanique, il y a le théorème de l'énergie cinétique  qui nous dit que la variation d'énergie cinétique pour un système fermé  est égal au travail de toutes les actions mécaniques extérieures et intérieurs.  ( donc tenant compte des forces non conservatives).

Lorsque il n'y a que des forces conservatives, le travail est égal  à la variation d'énergie potentielle d'où \(E_c +E_P\)=Cte

En thermodynamique, pour un sytème au repos à l'échelle macroscopique,  la variation d'énergie interne    est liée au travail échangé  à travers la frontière du système par les forces non conservatives.

Le document qualitatif ci-aprés aborde  la notion de travail en physique, en particulier le parargraphe "travail en thermodynamique". La notion d'entropie est sommairement introduite à la fin. Cela sera peut être un éclairage complémentaire simple sur la notion de travail que tu dis ne pas comprendre  

http://www.ac-nice.fr/massena/clubs/philo/pdf/notiontravail.pdf

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Edité par Sennacherib 3 septembre 2017 à 16:21:12

Merci beaucoup pour avoir prit le temps de me répondre, c'est plus clair maintenant et je vais aller jeter un coup d’œil au document envoyé !