ThermodynamiqueLa thermodynamique est la branche de la physique qui traite de la dépendance des propriétés physiques des corps à la température, des phénomènes où interviennent des échanges thermiques, et des transformations de l'énergie entre différentes formes. La thermodynamique peut être abordée selon deux approches différentes et complémentaires : phénoménologique et statistique. La thermodynamique phénoménologique ou classique a été l'objet de nombreuses avancées dès le .
Deuxième principe de la thermodynamiqueLe deuxième principe de la thermodynamique (également connu sous le nom de deuxième loi de la thermodynamique ou principe de Carnot) établit l'irréversibilité des phénomènes physiques, en particulier lors des échanges thermiques. C'est un principe d'évolution qui fut énoncé pour la première fois par Sadi Carnot en 1824. Il a depuis fait l'objet de nombreuses généralisations et formulations successives par Clapeyron (1834), Clausius (1850), Lord Kelvin, Ludwig Boltzmann en 1873 et Max Planck (voir Histoire de la thermodynamique et de la mécanique statistique), tout au long du et au-delà jusqu'à nos jours.
Premier principe de la thermodynamiqueSelon le premier principe de la thermodynamique, lors de toute transformation, il y a conservation de l'énergie. Dans le cas des systèmes thermodynamiques fermés, il s'énonce de la manière suivante : Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé, la variation de son énergie est égale à la quantité d'énergie échangée avec le milieu extérieur, par transfert thermique (chaleur) et transfert mécanique (travail).
Principes de la thermodynamiquevignette|Entropie d'un corps à 0 K (à gauche) Corps avec une température supérieur à 0 K (à droite) Les principes de la thermodynamique sont les principales lois (principes en fait, car non démontrés) qui régissent la thermodynamique : premier principe de la thermodynamique : principe de conservation de l'énergie ; introduction de la fonction énergie interne, U ; deuxième principe de la thermodynamique : principe d'évolution ; création d'entropie, S ; troisième principe de la thermodynamique ou principe de N
Thermodynamique hors équilibreLa thermodynamique hors équilibre est le domaine de recherche étudiant les phénomènes de relaxation et de transport au voisinage de l'équilibre thermodynamique. Il s'agit là de phénomènes dissipatifs donc irréversibles, liés à une augmentation de l'entropie. Les méthodes présentées ici relèvent de la thermodynamique proprement dite, qui permet de donner les lois caractérisant un phénomène.
Work (thermodynamics)Thermodynamic work is one of the principal processes by which a thermodynamic system can interact with its surroundings and exchange energy. This exchange results in externally measurable macroscopic forces on the system's surroundings, which can cause mechanical work, to lift a weight, for example, or cause changes in electromagnetic, or gravitational variables. The surroundings also can perform work on a thermodynamic system, which is measured by an opposite sign convention.
Chemical thermodynamicsChemical thermodynamics is the study of the interrelation of heat and work with chemical reactions or with physical changes of state within the confines of the laws of thermodynamics. Chemical thermodynamics involves not only laboratory measurements of various thermodynamic properties, but also the application of mathematical methods to the study of chemical questions and the spontaneity of processes. The structure of chemical thermodynamics is based on the first two laws of thermodynamics.
Principe zéro de la thermodynamiquevignette|250px|Principe zéro de la thermodynamique. Une paroi adiabatique ne laisse pas passer la chaleur, contrairement à une paroi diathermane. Si A et C sont initialement en équilibre thermique, ainsi que B et C, alors, après inversion des parois, A et B sont immédiatement en équilibre thermique, sans besoin d'échanger de la chaleur. En physique, et plus particulièrement en thermodynamique, le principe zéro de la thermodynamique énonce que : Dans la pratique, ce principe institue la température comme la grandeur caractéristique de l'équilibre thermique et le thermomètre comme un moyen de vérifier cet équilibre.
Chronologie de la thermodynamique et de la physique statistique150px|right|thumb|Ludwig Boltzmann Cet article présente une frise chronologique des évènements notables de l'histoire de la thermodynamique, de la physique statistique et des processus stochastiques. – Certains philosophes de la Grèce antique, et notamment Empédocle, plaident pour une décomposition du monde en quatre éléments fondamentaux : l'eau, la terre, l'air et le feu. – Leucippe et Démocrite fondent l'atomisme. – Lucrèce écrit un poème intitulé De natura rerum décrivant la pensée d'Épicure.
Exact differentialIn multivariate calculus, a differential or differential form is said to be exact or perfect (exact differential), as contrasted with an inexact differential, if it is equal to the general differential for some differentiable function in an orthogonal coordinate system (hence is a multivariable function whose variables are independent, as they are always expected to be when treated in multivariable calculus). An exact differential is sometimes also called a total differential, or a full differential, or, in the study of differential geometry, it is termed an exact form.
Microscopic scaleThe microscopic scale () is the scale of objects and events smaller than those that can easily be seen by the naked eye, requiring a lens or microscope to see them clearly. In physics, the microscopic scale is sometimes regarded as the scale between the macroscopic scale and the quantum scale. Microscopic units and measurements are used to classify and describe very small objects. One common microscopic length scale unit is the micrometre (also called a micron) (symbol: μm), which is one millionth of a metre.
Inexact differentialAn inexact differential or imperfect differential is a differential whose integral is path dependent. It is most often used in thermodynamics to express changes in path dependent quantities such as heat and work, but is defined more generally within mathematics as a type of differential form. In contrast, an integral of an exact differential is always path independent since the integral acts to invert the differential operator. Consequently, a quantity with an inexact differential cannot be expressed as a function of only the variables within the differential.
Troisième principe de la thermodynamiquevignette|Walther Hermann Nernst. Le troisième principe de la thermodynamique, appelé aussi principe de Nernst (1906), énonce que : La valeur de l'entropie de tout corps pur dans l'état de cristal parfait est nulle à la température de . Cela permet d'avoir une valeur déterminée de l'entropie (et non pas « à une constante additive près »). Ce principe est irréductiblement lié à l'indiscernabilité quantique des particules identiques. Il a été énoncé par Walther Nernst en 1906, puis Max Planck en 1912.
Équilibre thermodynamiquevignette|200px|Exemple d'équilibre thermodynamique de deux systèmes, en l'occurrence deux phases : l'équilibre liquide-vapeur du brome. En thermodynamique, un équilibre thermodynamique correspond à l'état d'un système ne subissant aucune évolution à l'échelle macroscopique. Les grandeurs intensives caractérisant ce système (notamment la pression, la température et les potentiels chimiques) sont alors homogènes dans l'espace et constantes dans le temps.
Biologie cellulairethumb|Détection de filaments d'actine dans des cellules animales (immunofluorescence) La biologie cellulaire (anciennement appelée cytologie) est une discipline scientifique qui étudie les cellules, du point de vue structural et fonctionnel, et les utilise pour des applications en biotechnologie. Elle s'intéresse à l'écosystème cellulaire, c'est-à-dire à l'équilibre dynamique et autorégulé des fonctions cellulaires, dans un contexte normal ou perturbé.
Énergie interneL’énergie interne d’un système thermodynamique est l'énergie qu'il renferme. C'est une fonction d'état extensive, associée à ce système. Elle est égale à la somme de l’énergie cinétique de chaque entité élémentaire de masse non nulle et de toutes les énergies potentielles d’interaction des entités élémentaires de ce système. En fait, elle correspond à l'énergie intrinsèque du système, définie à l'échelle microscopique, à l'exclusion de l'énergie cinétique ou potentielle d'interaction du système avec son environnement, à l'échelle macroscopique.
Reversible process (thermodynamics)In thermodynamics, a reversible process is a process, involving a system and its surroundings, whose direction can be reversed by infinitesimal changes in some properties of the surroundings, such as pressure or temperature. Throughout an entire reversible process, the system is in thermodynamic equilibrium, both physical and chemical, and nearly in pressure and temperature equilibrium with its surroundings. This prevents unbalanced forces and acceleration of moving system boundaries, which in turn avoids friction and other dissipation.
Fonction d'étatUne fonction d'état est une fonction de grandeurs appelées variables d'état, qui définissent l'état d'équilibre d'un système thermodynamique. Les variables d'état sont par exemple la température , la pression , le volume ou le nombre de moles . Une telle fonction possède donc la propriété de ne dépendre que de l'état d'équilibre dans lequel se trouve le système, quel que soit le chemin emprunté par le système pour arriver à cet état.
Processus isentropiqueEn thermodynamique, un processus isentropique est un processus thermodynamique au cours duquel l'entropie du système étudié reste constante. La constance de l'entropie peut être obtenue par un processus idéal qui est à la fois adiabatique et réversible. Les transferts d'énergie par travail doivent alors être sans frottement et il ne doit y avoir ni transfert d'énergie thermique (chaleur) ni transfert de matière. Un tel processus idéal est utile en ingénierie pour modéliser certains processus réels.
Time reversibilityA mathematical or physical process is time-reversible if the dynamics of the process remain well-defined when the sequence of time-states is reversed. A deterministic process is time-reversible if the time-reversed process satisfies the same dynamic equations as the original process; in other words, the equations are invariant or symmetrical under a change in the sign of time. A stochastic process is reversible if the statistical properties of the process are the same as the statistical properties for time-reversed data from the same process.
