Travail (thermodynamique)

Conservation de l’énergieEdit

Un principe directeur présupposé de la thermodynamique est la conservation de l’énergie. L’énergie totale d’un système est la somme de son énergie interne, de son énergie potentielle en tant que système entier dans un champ de force externe, comme la gravité, et de son énergie cinétique en tant que système entier en mouvement. La thermodynamique s’intéresse particulièrement aux transferts d’énergie, d’un corps de matière, comme par exemple un cylindre de vapeur, vers l’environnement du corps, par des mécanismes par lesquels le corps exerce des forces macroscopiques sur son environnement de façon à y soulever un poids ; ce sont ces mécanismes que l’on dit médiateurs du travail thermodynamique.

En plus du transfert d’énergie sous forme de travail, la thermodynamique admet le transfert d’énergie sous forme de chaleur. Pour un processus dans un système thermodynamique fermé (pas de transfert de matière), la première loi de la thermodynamique relie les changements dans l’énergie interne (ou autre fonction énergétique cardinale, selon les conditions du transfert) du système à ces deux modes de transfert d’énergie, comme travail, et comme chaleur. Le travail adiabatique se fait sans transfert de matière et sans transfert de chaleur. En principe, en thermodynamique, pour un processus dans un système fermé, la quantité de chaleur transférée est définie par la quantité de travail adiabatique qui serait nécessaire pour effectuer le changement dans le système qui est occasionné par le transfert de chaleur. Dans la pratique expérimentale, le transfert de chaleur est souvent estimé de manière calorimétrique, par le changement de température d’une quantité connue de substance matérielle calorimétrique.

L’énergie peut également être transférée vers ou depuis un système par transfert de matière. La possibilité d’un tel transfert définit le système comme un système ouvert, par opposition à un système fermé. Par définition, un tel transfert ne se fait ni sous forme de travail ni sous forme de chaleur.

Les variations de l’énergie potentielle d’un corps dans son ensemble par rapport aux forces de son environnement, et de l’énergie cinétique du corps en mouvement dans son ensemble par rapport à son environnement, sont par définition exclues de l’énergie cardinale du corps (les exemples sont l’énergie interne et l’enthalpie).

Transfert quasi réversible de l’énergie par le travail dans l’environnementModifié

Dans l’environnement d’un système thermodynamique, extérieur à celui-ci, toutes les diverses formes macroscopiques mécaniques et non mécaniques de travail peuvent être converties les unes dans les autres sans aucune limitation de principe due aux lois de la thermodynamique, de sorte que l’efficacité de conversion de l’énergie peut approcher 100 % dans certains cas ; cette conversion est requise pour être sans frottement, et par conséquent adiabatique. En particulier, en principe, toutes les formes macroscopiques de travail peuvent être converties en travail mécanique consistant à soulever un poids, qui était la forme originale de travail thermodynamique considérée par Carnot et Joule (voir la section Historique ci-dessus). Certains auteurs ont considéré cette équivalence avec le soulèvement d’un poids comme une caractéristique déterminante du travail. Par exemple, avec l’appareil de l’expérience de Joule dans lequel, par l’intermédiaire de poulies, un poids descendant dans l’environnement entraîne l’agitation d’un système thermodynamique, la descente du poids peut être détournée par un réarrangement des poulies, de sorte qu’il soulève un autre poids dans l’environnement, au lieu d’agiter le système thermodynamique.

Cette conversion peut être idéalisée comme étant presque sans friction, bien qu’elle se produise relativement rapidement. Elle se produit généralement par des dispositifs qui ne sont pas des systèmes thermodynamiques simples (un système thermodynamique simple est un corps homogène de substances matérielles). Par exemple, la descente du poids dans l’expérience de l’agitation de Joule réduit l’énergie totale du poids. Elle est décrite comme une perte d’énergie potentielle gravitationnelle du poids, due au changement de sa position macroscopique dans le champ de gravité, contrairement, par exemple, à la perte d’énergie interne du poids due aux changements de son entropie, de son volume et de sa composition chimique. Bien qu’elle se produise relativement rapidement, parce que l’énergie reste presque entièrement disponible sous forme de travail d’une manière ou d’une autre, un tel détournement du travail dans l’environnement peut être idéalisé comme étant presque réversible, ou presque parfaitement efficace.

En revanche, la conversion de la chaleur en travail dans un moteur thermique ne peut jamais dépasser le rendement de Carnot, en conséquence de la deuxième loi de la thermodynamique. Une telle conversion d’énergie, par le biais d’un travail effectué relativement rapidement, dans un moteur thermique pratique, par un système thermodynamique sur son environnement, ne peut pas être idéalisée, ni même presque, comme réversible.

Le travail thermodynamique effectué par un système thermodynamique sur son environnement est défini de manière à respecter ce principe. Historiquement, la thermodynamique s’intéressait à la manière dont un système thermodynamique pouvait effectuer un travail sur son environnement.

Travail effectué par et sur un système thermodynamique simpleModifier

Le travail effectué sur, et le travail effectué par, un système thermodynamique doivent être distingués, par la considération de leurs mécanismes précis. Le travail effectué sur un système thermodynamique, par des dispositifs ou des systèmes dans l’environnement, est réalisé par des actions telles que la compression, et comprend le travail de l’arbre, l’agitation et le frottement. Ce travail effectué par compression est un travail thermodynamique tel que défini ici. Mais le travail sur l’arbre, l’agitation et le frottement ne sont pas des travaux thermodynamiques tels que définis ici, dans la mesure où ils ne modifient pas le volume du système contre sa pression résistante. Le travail sans changement de volume est appelé travail isochore, par exemple lorsqu’un organisme, dans l’environnement du système, entraîne une action de frottement sur la surface ou à l’intérieur du système.

Dans un processus de transfert d’énergie depuis ou vers un système thermodynamique, le changement d’énergie interne du système est défini en théorie par la quantité de travail adiabatique qui aurait été nécessaire pour atteindre l’état final à partir de l’état initial, ce travail adiabatique n’étant mesurable que par les variables mécaniques ou de déformation du système mesurables de l’extérieur, qui fournissent une information complète sur les forces exercées par l’environnement sur le système pendant le processus. Dans le cas de certaines mesures de Joule, le processus était disposé de telle sorte qu’une partie de l’échauffement qui se produisait à l’extérieur du système (dans la substance des palettes) par le processus de friction entraînait également un transfert de chaleur des palettes vers le système au cours du processus, de sorte que la quantité de travail effectué par l’entourage sur le système pouvait être calculée en tant que travail de l’arbre, une variable mécanique externe.

La quantité d’énergie transférée en tant que travail est mesurée par des quantités définies à l’extérieur du système considéré, et appartenant donc à son environnement. Dans une convention de signe importante, privilégiée en chimie, le travail qui s’ajoute à l’énergie interne du système est compté comme positif. En revanche, pour des raisons historiques, une convention de signe souvent rencontrée, préférée en physique, consiste à considérer comme positif le travail effectué par le système sur son environnement.

Processus non décrits par le travail macroscopiqueModifier

Un type de transfert de chaleur, par contact direct entre un système fermé et son environnement, se fait par les mouvements thermiques microscopiques des particules et leurs énergies potentielles intermoléculaires associées. Les comptes rendus microscopiques de tels processus relèvent de la mécanique statistique, et non de la thermodynamique macroscopique. Un autre type de transfert de chaleur se fait par rayonnement. Le transfert radiatif d’énergie est irréversible dans le sens où il ne se produit que d’un système plus chaud vers un système plus froid, jamais dans l’autre sens. Il existe plusieurs formes de transduction dissipative de l’énergie qui peuvent se produire à l’intérieur d’un système à un niveau microscopique, comme la friction, y compris la viscosité apparente et de cisaillement, la réaction chimique, l’expansion sans contrainte comme dans l’expansion de Joule et dans la diffusion, et le changement de phase.

Le travail thermodynamique ne tient pas compte de toute énergie transférée entre les systèmes sous forme de chaleur ou par transfert de matière.

Systèmes ouvertsModification

Pour un système ouvert, la première loi de la thermodynamique admet trois formes de transfert d’énergie, sous forme de travail, sous forme de chaleur et sous forme d’énergie associée à la matière qui est transférée. Cette dernière ne peut pas être divisée uniquement en composantes de chaleur et de travail.

La convection unidirectionnelle d’énergie interne est une forme un transport d’énergie mais n’est pas, comme on le suppose parfois à tort (une relique de la théorie calorique de la chaleur), un transfert d’énergie sous forme de chaleur, car la convection unidirectionnelle est un transfert de matière ; ce n’est pas non plus un transfert d’énergie sous forme de travail. Néanmoins, si la paroi entre le système et son environnement est épaisse et contient du fluide, en présence d’un champ gravitationnel, la circulation convective à l’intérieur de la paroi peut être considérée comme médiant indirectement le transfert d’énergie sous forme de chaleur entre le système et son environnement, bien que la source et la destination de l’énergie transférée ne soient pas en contact direct.

Des « processus » thermodynamiques réversibles fictifs imaginés

Pour les besoins des calculs théoriques sur un système thermodynamique, on peut imaginer des « processus » thermodynamiques fictifs idéalisés qui se produisent si lentement qu’ils ne subissent pas de friction à l’intérieur ou à la surface du système ; ils peuvent alors être considérés comme virtuellement réversibles. Ces processus fictifs suivent des trajectoires sur des surfaces géométriques qui sont décrites exactement par une équation caractéristique du système thermodynamique. Ces surfaces géométriques sont les lieux des états d’équilibre thermodynamique possibles du système. Les processus thermodynamiques réellement possibles, se produisant à des vitesses pratiques, même s’ils ne se produisent que par un travail évalué dans l’environnement comme adiabatique, sans transfert de chaleur, subissent toujours des frottements dans le système, et sont donc toujours irréversibles. Les trajectoires de ces processus réellement possibles s’écartent toujours de ces surfaces géométriques caractéristiques. Même lorsqu’ils ne se produisent que par un travail évalué dans l’environnement comme adiabatique, sans transfert de chaleur, ces départs entraînent toujours une production d’entropie.

Echauffement par effet Joule et frottementEdit

La définition du travail thermodynamique se fait en termes de changements des variables d’état de déformation extensive (et constitutive chimique et certaines autres) du système, comme le volume, la constitution chimique molaire ou la polarisation électrique. Des exemples de variables d’état qui ne sont pas des variables de déformation extensive ou d’autres variables de ce type sont la température T et l’entropie S, comme par exemple dans l’expression U = U(S, V, {Nj}). Les changements de ces variables ne sont pas réellement mesurables physiquement à l’aide d’un seul processus thermodynamique adiabatique simple ; il s’agit de processus qui ne se produisent ni par travail thermodynamique ni par transfert de matière, et on dit donc qu’ils se produisent par transfert de chaleur. La quantité de travail thermodynamique est définie comme le travail effectué par le système sur son environnement. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, ce travail est irréversible. Pour obtenir une mesure physique réelle et précise d’une quantité de travail thermodynamique, il est nécessaire de tenir compte de l’irréversibilité en ramenant le système à son état initial en effectuant un cycle, par exemple un cycle de Carnot, qui inclut le travail cible comme étape. Le travail effectué par le système sur son environnement est calculé à partir des grandeurs qui constituent l’ensemble du cycle. Un cycle différent serait nécessaire pour mesurer réellement le travail effectué par l’environnement sur le système. Il s’agit de rappeler que frotter la surface d’un système apparaît à l’agent frotteur dans l’environnement comme un travail mécanique, mais non thermodynamique, effectué sur le système, et non comme de la chaleur, mais apparaît au système comme de la chaleur transférée au système, et non comme un travail thermodynamique. La production de chaleur par frottement est irréversible ; historiquement, c’était une preuve du rejet de la théorie calorique de la chaleur comme substance conservée. Le processus irréversible connu sous le nom de chauffage par effet Joule se produit également par le biais d’un changement d’une variable d’état extensive non déformable.

Selon l’opinion de Lavenda, le travail n’est pas un concept aussi primitif que la chaleur, qui peut être mesurée par calorimétrie. Cette opinion ne nie pas la définition thermodynamique désormais habituelle de la chaleur en termes de travail adiabatique.

Connue comme une opération thermodynamique, le facteur initiateur d’un processus thermodynamique est, dans de nombreux cas, une modification de la perméabilité d’une paroi entre le système et l’environnement. Le frottement n’est pas un changement de perméabilité de la paroi. L’énoncé de la deuxième loi de la thermodynamique par Kelvin utilise la notion d’un « organisme matériel inanimé » ; cette notion est parfois considérée comme déroutante. Le déclenchement d’un processus de frottement ne peut se produire que dans l’environnement, et non dans un système thermodynamique dans son propre état d’équilibre thermodynamique interne. Un tel déclenchement peut être décrit comme une opération thermodynamique.