Legile termodinamicii

Putem defini termodinamica în două moduri simple: știința mașinilor termice și termice sau știința sistemelor mari în echilibru. Prima definiție este și prima din istorie. Al doilea a venit mai târziu, datorită muncii de pionierat a lui Ludwig Bolzmann.
Alături de fizica statistică din care face parte acum, termodinamica este una dintre marile teorii pe care se bazează înțelegerea actuală a materiei.

Sistem termodinamic tipic - căldura se deplasează de la cald (evaporator) la rece (condensator) și munca este extrasă.

Conceptele de căldură și temperatură sunt cele mai fundamentale din termodinamică. Putem defini termodinamica ca fiind știința tuturor fenomenelor care depind de temperatură și de modificările acesteia.

Căldură și temperatură

Toată lumea are o cunoaștere intuitivă a conceptului de temperatură. Un corp este cald sau rece, în funcție de temperatura acestuia mai mare sau mai mică. Dar o definiție precisă este mai dificilă. Unul dintre marile succese ale termodinamicii clasice din secolul al XIX-lea este acela de a fi dat o definiție a temperaturii absolute a unui corp: este măsurată în kelvin, zero absolut = zero kelvin = -273,15 grade Celsius (aproximativ).
Căldura este și mai dificil de definit. O teorie veche, apărată în special de Lavoisier, atribuia unui fluid special (invizibil, imponderabil sau aproape) proprietățile căldurii, calorice, care circulă de la un corp la altul. Cu cât un corp este mai fierbinte, cu atât ar conține mai multe calorii. Această teorie este falsă în sensul că caloricul nu poate fi identificat cu o cantitate fizică conservată. Dar termodinamica dă încă sens noțiunii de căldură: este cantitatea de energie schimbată de un sistem, cu un alt sistem sau cu mediul extern.

Mașini termice

Termodinamica clasică a decolat ca știință a mașinilor termice sau știința puterii motrice a focului.
Sadi Carnot a inițiat studii moderne asupra mașinilor termice într-o teză fundamentală, Reflecții asupra puterii motrice a focului și asupra mașinilor potrivite pentru dezvoltarea acestei puteri. Ciclul Carnot, studiat în această disertație, rămâne principalul exemplu teoretic al studiului mașinilor termice. Mai degrabă decât „forța motrice”, spunem acum că mașinile termice oferă muncă și ne întrebăm cum să folosim căldura pentru a produce o muncă continuă.
Mișcarea corpurilor macroscopice, care la o scară milimetrică și mult mai mică, poate produce căldură, în sensul că face corpurile mai fierbinți. Trebuie doar să vă frecați mâinile pentru a vă da seama. În schimb, căldura poate pune în mișcare corpurile macroscopice.
Exemplele sunt foarte numeroase. Le putem numi mașini de pompieri sau mașini termice. Sunt sisteme macroscopice, care își păstrează mișcarea atât timp cât se menține o diferență de temperatură între o parte fierbinte și o parte rece.

Exemple

O lumânare simplă pune în mișcare aerul din jurul ei. Deasupra flăcării se creează o schiță de curent. Este reînnoit perpetuu de un curent de aer rece care ajunge de jos. Ele pot fi observate într-o cameră liniștită cu o pană de puf sau prin apropierea de o altă flacără. Este un curent de convecție.

Apa dintr-o cratiță deasupra focului începe să se miște ca aerul deasupra unei lumânări și ca toate fluidele deasupra suprafețelor suficient de fierbinți. Dacă puneți o copertă, apare un nou fenomen. Aburul ridică capacul, care apoi cade pentru a fi ridicat din nou, la nesfârșit, până când focul sau apa sunt epuizate și, prin urmare, se produce abur. Se spune că această simplă observație, care poate fi făcută în orice bucătărie, este legată de invenția motoarelor cu aburi. Mișcarea capacului este prea mică pentru a fi interesantă. Se oprește imediat ce începe, deoarece aburul care îl împinge scapă imediat. Dar dacă puneți capacul într-un cilindru, veți obține un piston care poate fi împins de abur sau orice alt gaz pe o cursă lungă. Motoarele cu aburi și motoarele termice nu sunt întotdeauna construite pe principiul pistonului și cilindrului, ci foarte des. Celelalte soluții nu sunt foarte diferite. Putem considera că experiența capacului oalei este la originea invențiilor tuturor motoarelor termice.