Température, énergie et entropie

La thermodynamique fait appel à trois grandeurs fondamentales. Le principe zéro introduit la notion de température absolue T. L’unité internationale de température est le kelvin (K). En raison de son caractère absolu la température peut être utilisé dans les équations algébriques au même titre que les autres grandeurs physiques. Par contre, cela n’est pas possible avec la température empirique mesurée en degré Celsius par exemple. Le premier principe introduit la notion d’énergie E dont l’unité internationale est le joule (J). Enfin, le second principe introduit la notion d’entropie S dont l’unité internationale est le joule par kelvin (J·K^-1).

Avant la mécanique quantique, le zéro absolu de température correspondait au point où l’énergie cinétique devenait nulle. Avec la mécanique quantique, l’agitation moléculaire ne peut être stoppée. Dans ces conditions, le zéro absolu de température correspond en fait au point où plus aucun échange de chaleur n’est possible. L’énergie cinétique est un concept étroitement relié à la notion de température via la notion de mouvement. Lorsque les objets sont immobiles, on parle d’énergies potentielles. Il existe un grand nombre de formes d’énergie potentielles qui peuvent se transformer l’une dans l’autre :

Transformations de l’énergie

Comme le montre cette figure on peut identifier sept principales formes d’énergie dans la nature terrestre. Ceci donne naissance à 14 différents procédés de transformation associés. On a mis à part, l’énergie nucléaire qui est en fait la source première d’énergie dans la nature. Toutes les autres formes d’énergie découlent de cette forme primitive. Les différentes unités de mesure quantitative sont aussi indiquées. Comme on l’a vu, l’unité SI d’énergie est le joule (J). L’équation dimensionnelle de l’énergie est M·L²·T^-2. Une énergie de 1 joule est l’énergie nécessaire pour élever la température d’un litre d’air sec de 1°C. C’est aussi la quantité de chaleur dégagée en 10 ms par un adulte au repos.

Le symbole Δ indique que l’énergie est une quantité signée qui peut être gagnée ou perdue. Car, ce qui compte n’est pas le contenu énergétique en lui-même. Mais, plutôt la différence entre deux contenus énergétiques correspondant à un état initial et à un état final. La partie en haut à droite résume les principales lois de la physique quantique. Elle concerne principalement les pôles lumière, nucléaire et thermique. En haut à gauche, on rappelle qu’il existe 4 constantes fondamentales naturelles dont les valeurs sont rigoureusement les mêmes pour tous les observateurs. Et, ce quels que soient leurs états de mouvement relatif.

Premier principe

La figure donne également un résumé de la théorie de la relativité restreinte. Cette dernière stipule qu’aucune énergie E ne peut se propager avec une vitesse v supérieure à la vitesse de la lumière c. La théorie de la relativité générale est quant à elle exprimée via l’existence d’un taux maximal de dissipation de l’énergie dans l’univers. Cette puissance maximale fait intervenir la cinquième puissance de la vitesse de la lumière c et la constante de gravitation universelle G. Le reste du diagramme résume les lois de la physique dite classique.

Pour la signification des différentes unités on se référera à la page consacrée aux unités de mesure. L’application du principe fondamental de la dynamique à tout type de mouvement aboutit au premier principe de la thermodynamique. Il stipule que la somme de toutes les énergies cinétique K et de toutes les énergies potentielles U ne varie jamais dans le temps, soit : E = K + U = constante. Autrement rien ne peut être créé ou détruit, mais tout peut se transformer. Le diagramme ci-dessus illustre aussi deux autres grandes lois impliquant l’énergie.

Deux théorèmes

Tout d’abord le théorème du viriel qui concerne un système soumis à un potentiel U(q). Si ce système est de taille finie, alors la valeur moyenne du double de l’énergie cinétique 2<K> doit être égale la valeur moyenne du viriel de Clausius de l’énergie potentielle. Ce viriel se définit comme le produit de la variable q par le gradient de potentiel associé ∂U/∂q. Le principe de la thermodynamique et le théorème du viriel restent vrais en physique quantique. L’autre théorème dit d’équipartition de l’énergie concerne l’énergie totale E = K + U. Il stipule qu’à l’équilibre thermique, la valeur moyenne du viriel de Clausius associé à la variable q ne dépend que du produit de la constante de Boltzmann par la température absolue T. Ce dernier théorème n’est valable qu’en physique classique.