Troisième loi de la thermodynamique : ce qu’elle est, formules, applications, exemples

Introduction

La troisième loi de la thermodynamique, découverte au début du XXe siècle, décrit le comportement des systèmes à très basses températures, notamment l’atteinte du zéro absolu.​

Elle joue un rôle crucial dans la compréhension de la thermodynamique et a des applications variées dans les domaines de la réfrigération cryogénique et de la physique des basses températures.​

Définition et contexte

La troisième loi de la thermodynamique est une loi physique qui établit une relation entre l’entropie et la température d’un système.

Énoncée pour la première fois par Walther Nernst en 1906, elle complète les deux premières lois de la thermodynamique en définissant le comportement des systèmes à très basses températures.​

En effet, cette loi permet de comprendre pourquoi il est impossible d’atteindre le zéro absolu, c’est-à-dire une température de 0 K (-273,15 °C), où l’entropie du système serait nulle.​

Dans ce contexte, la troisième loi de la thermodynamique fournit un cadre théorique pour l’étude des phénomènes physiques à très basses températures, tels que la réfrigération cryogénique et la physique des basses températures.​

Importance de la troisième loi de la thermodynamique

La troisième loi de la thermodynamique occupe une place centrale dans la compréhension des phénomènes physiques à très basses températures.​

Elle permet de définir les limites fondamentales de la réfrigération cryogénique et de la physique des basses températures, en établissant que le zéro absolu est inaccessible.

Cette loi est également essentielle pour la conception de systèmes de réfrigération cryogénique et de pompes à chaleur, qui sont utilisés dans de nombreux domaines, notamment la physique des basses températures, la chimie et la biologie.​

Enfin, la troisième loi de la thermodynamique a des implications importantes pour la compréhension de la structure des matières à l’échelle atomique et moléculaire.​

Principes fondamentaux

La troisième loi de la thermodynamique repose sur les concepts d’entropie, de température absolue, de zéro absolu et d’énergie interne, qui régissent le comportement des systèmes à très basses températures.

Entropie et température absolue

L’entropie, mesurée en unités de joules par kelvin (J/K), caractérise le désordre ou la dégradation de l’énergie dans un système.​ Elle est liée à la température absolue, qui est définie comme la température mesurée en kelvins (K).

La troisième loi de la thermodynamique établit une relation fondamentale entre l’entropie et la température absolue, permettant de définir le zéro absolu comme la température à laquelle l’entropie d’un système atteint son minimum.​

Cette relation est essentielle pour comprendre le comportement des systèmes à très basses températures, où les phénomènes quantiques commencent à jouer un rôle important.​ La maîtrise de l’entropie et de la température absolue est ainsi cruciale pour la mise en œuvre de technologies telles que la réfrigération cryogénique et les pompes à chaleur.​

Zéro absolu et énergie interne

Le zéro absolu, défini comme la température de 0 K, représente la limite théorique inférieure de la température.​ À cette température, l’énergie interne d’un système atteint son minimum, ce qui signifie que les particules composant le système sont à leur état d’énergie la plus basse possible.​

L’énergie interne d’un système est une mesure de l’énergie totale contenue dans le système, incluant l’énergie cinétique, potentielle et interne des particules.​ La troisième loi de la thermodynamique établit une relation directe entre l’énergie interne et la température absolue, permettant de définir le zéro absolu comme la température à laquelle l’énergie interne d’un système est minimale.​

Cette relation est fondamentale pour la compréhension des propriétés thermodynamiques des systèmes à très basses températures, et a des implications importantes pour la mise en œuvre de technologies telles que la réfrigération cryogénique et les pompes à chaleur.

Formules et équations

Les formules et équations clés de la troisième loi de la thermodynamique comprennent la formule de l’entropie, S = k * ln(Ω), et l’équation de l’enthalpie libre, ΔG = ΔH ― T * ΔS.​

Formule de la troisième loi de la thermodynamique

La formule de la troisième loi de la thermodynamique établit une relation entre l’entropie d’un système et sa température absolue.​

Mathématiquement, cette relation est exprimée par l’équation ⁚

• S(T) = S₀ + ∫[Cp(T) / T]dT

Où S(T) représente l’entropie du système à la température T, S₀ est l’entropie résiduelle, Cp(T) est la capacité calorifique à pression constante et T est la température absolue.​

Cette équation permet de déterminer l’entropie d’un système à tout moment, en connaissant sa température et sa capacité calorifique.

Équation de l’enthalpie libre

L’équation de l’enthalpie libre est une autre formulation importante de la troisième loi de la thermodynamique.​

Elle est exprimée par l’équation ⁚

• G = H ౼ TS

Où G représente l’enthalpie libre, H est l’enthalpie, T est la température absolue et S est l’entropie du système.

Cette équation montre que l’enthalpie libre est liée à l’enthalpie et à l’entropie du système, ce qui permet de déterminer les changements d’énergie libre dans un système à l’équilibre thermodynamique.​

L’équation de l’enthalpie libre est particulièrement utile pour étudier les phénomènes thermodynamiques complexes, tels que la transition de phase et les réactions chimiques.​

Applications pratiques

La troisième loi de la thermodynamique a des applications pratiques importantes dans les domaines de la réfrigération cryogénique, des pompes à chaleur et des matériaux à basse température.​

Réfrigération cryogénique et Pompe à chaleur

La troisième loi de la thermodynamique est essentielle pour la compréhension de la réfrigération cryogénique, qui permet d’atteindre des températures très basses, inférieures à -100°C.

Cette loi permet de déterminer la limite théorique de la réfrigération cryogénique, ainsi que l’efficacité maximale des pompes à chaleur, qui sont utilisées pour produire des températures très basses.

Les applications de la réfrigération cryogénique sont nombreuses, allant de la production d’hélium liquide à la conservation de matériaux biologiques.

Les pompes à chaleur, quant à elles, sont utilisées dans de nombreux domaines, tels que la climatisation, la réfrigération et la production d’énergie.

Cristal parfait et coefficient de performance

Le concept de cristal parfait est étroitement lié à la troisième loi de la thermodynamique, car il permet de définir une référence absolue pour l’entropie.​

Un cristal parfait est un solide cristallin idéal, dont l’entropie est nulle au zéro absolu.​

Le coefficient de performance, quant à lui, est une grandeur qui caractérise l’efficacité d’un système réfrigérant ou d’une pompe à chaleur.​

La troisième loi de la thermodynamique permet de déterminer le coefficient de performance maximal théorique d’un système, en fonction de la température de référence et de la température du système.​

Ces concepts sont fondamentaux pour l’étude de la thermodynamique et ont des applications pratiques importantes dans de nombreux domaines.​

Exemples et cas d’étude

Ce chapitre présente des exemples concrets d’application de la troisième loi de la thermodynamique, illustrant ses principes fondamentaux et ses implications pratiques.​

Système isolé et processus réversible

Un système isolé est un système qui n’échange pas d’énergie ni de matière avec son environnement. Dans ce type de système, la troisième loi de la thermodynamique permet de définir une échelle de température absolue.​

Un processus réversible est un processus qui peut être inversé sans que le système ne subisse de changement irréversible.​ La réversibilité est une condition nécessaire pour atteindre le zéro absolu.

Dans un système isolé, un processus réversible permet de minimiser l’entropie du système, ce qui signifie que la température absolue est minimale.​ C’est pourquoi les systèmes isolés et les processus réversibles jouent un rôle clé dans l’étude de la troisième loi de la thermodynamique.​

Exemple d’application en physique des basses températures

L’une des applications les plus intéressantes de la troisième loi de la thermodynamique est la production de très basses températures, notamment en-dessous de 1 K (-272,15 °C).​

Cette plage de température est atteinte grâce à des techniques de réfrigération cryogénique, telles que l’évaporation adiabatique ou la dilution d’hélium-3 dans de l’hélium-4.

Les très basses températures sont essentielles pour l’étude de phénomènes quantiques, tels que la supraconductivité et la superfluidité.​ Les expériences réalisées à ces températures ont permis de comprendre les propriétés fondamentales de la matière et ont ouvert la voie à de nouvelles applications technologiques.​

En résumé, la troisième loi de la thermodynamique décrit l’entropie et la température absolue, avec des applications variées dans les domaines de la réfrigération cryogénique et de la physique des basses températures.​

Récapitulation des principes clés

La troisième loi de la thermodynamique établit une relation entre l’entropie et la température absolue, permettant de définir le zéro absolu comme une limite théorique infranchissable.​

Elle définit également les concepts d’énergie interne et d’enthalpie libre, qui sont essentiels pour comprendre les phénomènes thermodynamiques à très basses températures.​

Les applications de la troisième loi sont nombreuses, notamment dans la réfrigération cryogénique et la physique des basses températures, où elle permet de comprendre et de prévoir les comportements des systèmes à ces températures extrêmes.​

Enfin, la troisième loi fournit une base solide pour l’étude des systèmes isolés et des processus réversibles, permettant ainsi d’approfondir notre compréhension de la thermodynamique et de ses applications pratiques.

Perspective et avenir de la troisième loi de la thermodynamique

Les recherches actuelles sur la troisième loi de la thermodynamique s’orientent vers l’étude de systèmes complexes et de matériaux nouveaux, tels que les supraconducteurs et les nanomatériaux.​

Ces études devraient permettre d’améliorer les performances des systèmes de réfrigération cryogénique et de Pompe à chaleur, ainsi que de développer de nouvelles applications dans les domaines de l’énergie et de la physique des basses températures;

L’avancement des techniques expérimentales et des modèles théoriques devrait également permettre d’affiner notre compréhension de la troisième loi et de ses implications pour la physique fondamentale et les applications pratiques.

À long terme, l’étude de la troisième loi de la thermodynamique devrait contribuer à l’émergence de nouvelles technologies et de nouveaux domaines de recherche, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la science et l’industrie.​