La Deuxième Loi de la thermodynamique
La deuxième loi de la thermodynamique limite l’efficacité des processus de conversion d’énergie. Même si l’énergie transférée sous forme de chaleur est en effet un transfert d’énergie, il y a quelque chose de différent dans l’énergie thermique. La façon dont les scientifiques définissent la chaleur est quelque peu différente de la façon dont la plupart des gens comprennent la chaleur. Si deux corps de températures différentes sont mis en contact l’un avec l’autre, il y aura un transfert d’énergie du corps chaud vers le corps froid et ce transfert se poursuivra jusqu’à ce que les deux corps aient la même température. Ce transfert d’énergie est appelé chaleur. La température de chaque corps est due à son « énergie interne. »Cette énergie est stockée sous forme d’énergie cinétique de molécules vibrantes et en mouvement et est fonction de la température et de la pression du matériau. Plus le matériau est chaud, plus les molécules se déplacent rapidement. Lorsque l’énergie est transférée sous forme de chaleur, le corps le plus chaud perd une partie de son énergie interne et le corps le plus froid gagne une partie de son énergie interne. Il est donc incorrect de dire qu’un corps chaud contient de la chaleur; il contient de l’énergie interne et il peut transférer une partie de cette énergie à un corps plus froid sous forme de chaleur. Le corps plus froid convertit alors cette énergie en énergie interne. Le transfert de cette énergie interne est ce qu’on appelle la chaleur. Le lecteur peut maintenant revenir à la section précédente sur la première loi de la thermodynamique et voir toutes mes erreurs délibérées écrites sur le mot chaleur. Par exemple, j’ai dit que dans le soleil « les atomes d’hydrogène sont fusionnés sous une chaleur et une pression intenses pour former des atomes d’hélium. »Ce n’est pas correct; j’aurais dû dire que « les atomes d’hydrogène sont fusionnés à des températures et des pressions très élevées pour former des atomes d’hélium. »
Il existe trois méthodes de transfert de chaleur différentes: la conduction, la convection et le rayonnement.
La quantité de chaleur pouvant être transférée entre deux corps dépend de leurs températures et de la méthode de transfert de chaleur. L’énergie thermique ne peut être entièrement convertie en énergie de travail ou mécanique, en électricité ou en toute autre forme d’énergie. Cela a un impact important sur l’efficacité des moteurs thermiques. Lorsque le carburant est brûlé dans un moteur thermique, l’énergie chimique stockée dans les liaisons chimiques des molécules de carburant est libérée. Cette énergie est transférée au moteur sous forme de chaleur; cependant, toute cette chaleur ne peut pas être convertie en énergie mécanique. Lorsque les gens développaient et essayaient de perfectionner des moteurs thermiques, tels que le moteur à combustion interne, ils ont découvert cette limitation et ont dû la comprendre. Le résultat a été la formulation de la deuxième loi de la thermodynamique.
Le travail fondateur dans ce domaine est dû à un ingénieur français appelé Sadi Carnot. En 1824, il publie un article intitulé Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu et les Machines Nécessaires pour Développer Cette Puissance. Cet article a présenté l’idée que la quantité de travail effectuée par un moteur thermique est due au flux de chaleur d’un corps chaud vers un corps froid. La compréhension de Carnot de la chaleur était toujours embourbée dans la théorie calorique incorrecte de la chaleur, mais ses conclusions étaient toujours valables. Son analyse a déterminé que la chaleur théorique pouvant être transférée au moteur thermique était proportionnelle à la différence de température entre la source de chaleur (le corps chaud) et le dissipateur de chaleur (le corps froid). Cette analyse lui a permis de calculer l’efficacité théorique d’un moteur thermique, qui s’est avérée beaucoup plus faible que l’efficacité d’autres processus de conversion d’énergie.
En utilisant l’analyse de Carnot, plusieurs personnes ont pu déduire différents énoncés de la deuxième loi de la thermodynamique. Certains d’entre eux sont:
Il est impossible de réaliser des travaux dans l’environnement en utilisant un procédé cyclique relié à un seul réservoir de chaleur (Thomson, 1851).
Il est impossible de réaliser un processus cyclique en utilisant un moteur relié à deux réservoirs de chaleur qui aura pour seul effet le transfert d’une quantité de chaleur du réservoir à basse température vers le réservoir à haute température (Clausius, 1854).
Dans tout processus, l’entropie de l’univers augmente, la faisant tendre vers un maximum (Clausius, 1865).
Cette troisième déclaration introduit le concept d’entropie et place la loi sur une base plus mathématique. Étant donné que la quantité de chaleur transférée dans un processus dépend de la température du corps transférant la chaleur, l’entropie est définie comme la chaleur transférée divisée par la température, T, à laquelle elle est transférée. Donner à l’entropie le symbole S et à la chaleur transférée le symbole Q, par définition:
Une certaine compréhension de l’entropie est nécessaire pour bien comprendre les limites de la consommation d’énergie. Ceci est illustré à l’annexe A et discuté dans la section suivante.
L’une des conséquences de la deuxième loi de la thermodynamique est que, lorsque vous brûlez du carburant pour entraîner un moteur thermique, seule une partie de la chaleur du carburant peut être convertie pour fonctionner dans le moteur. Le reste doit être rejeté dans un dissipateur de chaleur, qui est généralement l’atmosphère entourant le moteur. Par conséquent, les moteurs thermiques sont intrinsèquement inefficaces. Une autre conséquence est que le chauffage de votre maison avec un élément chauffant électrique coûtera beaucoup plus cher que l’utilisation de la plupart des autres carburants. En effet, l’électricité a été créée à l’aide d’un moteur thermique inefficace où une partie de la chaleur a dû être rejetée dans l’environnement. Si votre objectif est d’augmenter la température d’un espace (comme votre maison), il est préférable de brûler un combustible directement et de capter autant de chaleur que possible dans votre maison. L’efficacité du chauffage direct par combustion d’un combustible est beaucoup plus élevée que la production d’électricité où une partie de la chaleur doit être perdue. Tout cela a été analysé par Sadi Carnot à l’aide de son cycle Carnot et publié en 1824.
Sadi Carnot est le fils aîné d’un révolutionnaire français nommé Lazare Carnot et est né le 1er juin 1796, au plus fort de la Révolution française. Sadi étudie à l’École Polytechnique à partir de 1812. Au moment où Sadi a obtenu son diplôme en 1814, l’empire de Napoléon était en fuite et les armées européennes envahissaient la France. Lors du retour de Napoléon au pouvoir en 1815, le père de Sadi, Lazare Carnot, est ministre de l’Intérieur pendant quelques mois. Après la défaite finale de Napoléon plus tard cette année-là, Lazare s’enfuit en Allemagne, pour ne jamais revenir en France.
Sadi Carnot a été officier de l’armée pendant la majeure partie de sa vie, mais en 1819, il a quitté l’armée et a commencé à se consacrer à la conception de machines à vapeur. Ces moteurs étaient les principaux chevaux de bataille de l’Europe, en particulier de la Grande-Bretagne, et étaient utilisés pour pomper l’eau des mines, draguer les ports et les rivières, moudre le blé, filer et tisser du tissu; cependant, ils étaient quelque peu inefficaces. L’importation des machines à vapeur britanniques les plus avancées en France après la guerre a montré à Carnot à quel point les Français avaient pris du retard dans leur technologie. Il était particulièrement consterné que les Britanniques aient progressé jusqu’ici grâce au génie de quelques ingénieurs dépourvus de véritable éducation scientifique. Les ingénieurs britanniques avaient également accumulé et publié des données fiables sur l’efficacité de nombreux types de moteurs dans des conditions de fonctionnement réelles; ils ont argumenté sur les mérites des moteurs basse et haute pression et des moteurs monocylindres et multicylindres.
Carnot a compris implicitement que les grandes civilisations doivent exploiter l’énergie pour faire progresser leur technologie. Convaincu que l’utilisation inadéquate de la vapeur par la France était un facteur de sa chute, il commença à écrire un travail non technique sur l’efficacité des machines à vapeur. D’autres travailleurs avant lui avaient examiné la question de l’amélioration de l’efficacité des machines à vapeur en comparant l’expansion et la compression de la vapeur avec la production de travail et la consommation de carburant. Dans son essai, Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, publié en 1824, Carnot accorde beaucoup d’attention à la théorie du processus ne se concernant pas lui-même, comme d’autres l’avaient fait, avec ses détails mécaniques.
Carnot a déclaré que, dans une machine à vapeur, la puissance motrice est produite lorsque la chaleur « descend » de la température plus élevée de la chaudière à la température plus basse du condenseur, tout comme l’eau, en tombant, fournit de l’énergie dans une roue hydraulique. Il a travaillé dans le cadre théorique de la théorie calorique de la chaleur, en supposant que la chaleur était un gaz qui ne pouvait être ni créé ni détruit. Bien que cette hypothèse soit incorrecte et que Carnot lui-même en ait eu des doutes alors même qu’il écrivait son essai, beaucoup de ses résultats étaient néanmoins vrais. L’une d’elles était sa prédiction selon laquelle l’efficacité d’un moteur idéalisé ne dépend que de la température de ses parties les plus chaudes et les plus froides et non de la substance (vapeur ou tout autre fluide) qui entraîne le mécanisme.
Carnot a compris que tout système thermodynamique existe dans un état thermodynamique particulier. Lorsqu’un système est traversé par une série d’états différents et finalement ramené à son état initial, un cycle thermodynamique se serait produit. Au cours de ce cycle, le système peut effectuer des travaux sur son environnement, agissant ainsi comme un moteur thermique. Le cycle qu’il a proposé et utilisé dans son analyse est maintenant connu sous le nom de cycle de Carnot. Un système soumis à un cycle de Carnot est appelé moteur thermique Carnot, bien qu’un tel moteur « parfait » ne soit que théorique et ne puisse être construit en pratique.
Les détails mathématiques du cycle de Carnot sont présentés à l’annexe A, mais il n’est pas nécessaire de bien comprendre ces détails pour en apprécier l’utilité. Le cycle de Carnot, lorsqu’il agit comme moteur thermique, comprend les quatre étapes suivantes :
Expansion réversible et isotherme du fluide de travail à la température « chaude », TH (ajout de chaleur isotherme). Au cours de cette étape, le carburant est brûlé créant la température chaude et provoquant la dilatation du fluide ou du gaz de travail. Le gaz en expansion fait travailler le piston du moteur sur l’environnement. Lorsque le piston est forcé de se déplacer, il entraîne un arbre qui convertit le travail en énergie cinétique. La détente du gaz est propulsée par l’absorption de la chaleur du réservoir à haute température créé par le combustible en combustion.
Une expansion réversible et adiabatique (isentropique) du fluide de travail (sortie de travail isentropique). Rappelez-vous que adiabatique signifie qu’il n’y a pas de chaleur transférée. Isentropique signifie que l’entropie du système reste constante. Pour cette étape, on suppose que le piston et le cylindre sont isolés thermiquement (adiabatique), ils ne gagnent ni ne perdent donc de chaleur. Le gaz continue de se développer, travaillant sur les environs. Lorsque le gaz se dilate, il refroidit également, perdant de l’énergie. Comme le processus est isolé, cependant, il ne peut pas perdre cette énergie sous forme de chaleur. Cela oblige le gaz à continuer à travailler en entraînant le piston. Cette expansion du gaz le fait refroidir à la température « froide », TC.
Compression isotherme réversible du gaz à la température « froide », TC (rejet de chaleur isotherme). Dans cette étape, l’environnement travaille sur le gaz, ce qui fait qu’une quantité de chaleur s’écoule du gaz vers le réservoir à basse température.
Compression isentropique du gaz (entrée de travail isentropique). Encore une fois, le piston et le cylindre sont supposés être isolés thermiquement (ou adiabatiques). Au cours de cette étape, l’environnement, à travers le piston, travaille sur le gaz, le comprimant et faisant monter la température à TH. À ce stade, le gaz est dans le même état qu’au début de la première étape.
L’antithèse d’un moteur thermique est un réfrigérateur. Un moteur thermique brûle du carburant dans le cadre d’un cycle thermodynamique pour créer de la chaleur qui est convertie en énergie mécanique. Un réfrigérateur envoie le cycle dans la direction opposée et utilise l’énergie électrique pour créer de l’énergie mécanique qui pompe ensuite la chaleur du corps froid vers le corps plus chaud.
L’efficacité du moteur thermique, η, est définie comme le travail produit divisé par l’apport de chaleur du réservoir chaud. Dans l’annexe A, l’efficacité est calculée comme suit:
Où
W est le travail effectué par le système (énergie sortant du système en tant que travail).
QH est la chaleur introduite dans le système (énergie thermique entrant dans le système).
TC est la température absolue du réservoir froid.
TH est la température absolue du réservoir chaud.
Cette efficacité décrit la fraction de l’énergie thermique extraite du réservoir chaud et convertie en travail mécanique. Un cycle de Rankine est généralement l’approximation pratique d’un cycle de Carnot pour une machine à vapeur. Il est montré, à l’annexe A, que pour tout cycle fonctionnant entre les températures TH et TC, aucun ne peut dépasser le rendement d’un cycle de Carnot.
Le théorème de Carnot est un énoncé formel de ce fait : Aucun moteur fonctionnant entre deux réservoirs de chaleur ne peut être plus efficace qu’un moteur Carnot fonctionnant entre ces mêmes réservoirs. L’équation 3.1 donne le rendement maximal possible pour n’importe quel moteur en utilisant les températures correspondantes. Un corollaire du théorème de Carnot indique que: Tous les moteurs réversibles fonctionnant entre les mêmes réservoirs de chaleur sont également efficaces. Le côté droit de l’équation 3.1 donne ce qui peut être une forme plus facile à comprendre de l’équation: l’efficacité maximale théorique d’un moteur thermique est égale à la différence de température entre le réservoir chaud et le réservoir froid divisée par la température absolue du réservoir chaud. Pour trouver la température absolue en degrés Kelvin, ajoutez 273,15 ° à la température Celsius. Pour trouver la température absolue en degrés Rankine, ajoutez 459,6 ° à la température Fahrenheit. En regardant la formule de l’équation 3.1, un fait intéressant devient apparent. L’abaissement de la température du réservoir froid aura plus d’effet sur l’efficacité du plafond d’un moteur thermique que l’augmentation de la température du réservoir chaud de la même quantité. Dans le monde réel, cela peut être difficile à réaliser car le réservoir froid est souvent une température ambiante existante, telle que l’atmosphère.
En d’autres termes, l’efficacité maximale est atteinte si aucune nouvelle entropie n’est créée dans le cycle. En pratique, le déversement de chaleur nécessaire dans l’environnement pour éliminer l’entropie excessive entraîne une réduction de l’efficacité. L’équation 3.1 donne l’efficacité de tout moteur thermique théoriquement réversible.
Carnot s’est rendu compte qu’en réalité il n’était pas possible de construire un moteur thermodynamiquement réversible. Les moteurs thermiques réels sont moins efficaces que ce qui est indiqué par l’équation 3.1. Néanmoins, l’équation 3.1 est extrêmement utile pour déterminer l’efficacité maximale que l’on pourrait jamais attendre pour un ensemble donné de réservoirs thermiques.
Il existe aujourd’hui quatre cycles de moteurs thermiques pratiques largement utilisés, chacun essayant de se rapprocher du cycle thermodynamique de Carnot. Ils sont
Le cycle Otto, qui est la base du moteur à essence.
Le cycle Diesel, commercialisé dans le moteur Diesel.
Le cycle de Rankine, base des machines à vapeur largement utilisées aujourd’hui dans les centrales électriques pour produire de l’électricité.
Le cycle de Brayton utilisé dans les turbines à gaz utilisées pour produire de l’électricité ou fournir de la poussée.
Il existe également le cycle Stirling qui peut être utilisé pour fabriquer un moteur thermique à combustion externe pratique, mais ce moteur n’a jamais été commercialisé. Malgré cela, le développement de moteurs Stirling suscite beaucoup d’intérêt, car une grande variété de carburants peut être utilisée pour conduire de tels moteurs, y compris l’énergie solaire. Le moteur Stirling est une alternative au moteur à cycle Rankine.
L’énoncé d’entropie de la deuxième loi permet également aux scientifiques d’analyser les réactions chimiques, le comportement de phase des fluides et de nombreux autres processus apparemment non liés. Cela explique également pourquoi les gens disent qu’ils utilisent de l’énergie lorsqu’ils convertissent réellement l’énergie d’une forme en une autre. Lorsque le combustible est brûlé pour produire de l’énergie, l’énergie chimique est convertie en chaleur, puis une partie de cette énergie thermique est convertie en électricité. Une partie est également rejetée dans l’atmosphère où elle n’est plus utilisable. Cette électricité crée de la lumière dans une ampoule, qui est également perdue sous forme de chaleur dans l’atmosphère.
Si le carburant est utilisé pour alimenter un moteur à combustion interne pour conduire une automobile après qu’une partie de la chaleur a été rejetée dans l’atmosphère, le reste de l’énergie du carburant crée une énergie cinétique utile et utilisable. Toute cette énergie cinétique est finalement perdue sous forme de chaleur de friction, qui est également perdue dans l’atmosphère. Toute l’énergie que nous « utilisons » est perdue sous forme de chaleur qui a été principalement transférée à l’atmosphère, dont une partie est ensuite rayonnée dans l’espace vers d’autres parties de l’univers.
Une autre conséquence des première et deuxième lois de la thermodynamique est que les machines à mouvement perpétuel ne sont pas possibles. La première loi stipule simplement que si vous mettez une machine en mouvement en lui fournissant de l’énergie, elle pourrait continuer à fonctionner pour toujours dans un environnement sans friction. Vous ne pouviez pas en extraire plus d’énergie que ce que vous en mettez, car cela violerait la première loi. La deuxième loi dit que vous ne pouvez même pas sortir autant que vous en mettez parce qu’une partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur par friction. Les machines à mouvement perpétuel se divisent en deux catégories: celles qui violent la première loi de la thermodynamique et celles qui violent la deuxième loi de la thermodynamique.
Le paramètre d’entropie est également une mesure du caractère aléatoire de l’univers, et la deuxième loi stipule que le caractère aléatoire de l’univers augmente. En d’autres termes, à mesure que les processus se déroulent, les éléments de l’univers tendent à un état plus désordonné.
La réponse à la question « Que voulons-nous dire quand nous disons que nous utilisons de l’énergie? »c’est que l’énergie disponible est utilisée puis convertie en énergie indisponible. L’énergie électrique, l’énergie potentielle, l’énergie cinétique et l’énergie chimique dans les combustibles sont toutes des formes d’énergie disponibles. L’énergie perdue dans l’atmosphère à mesure que la chaleur devient principalement de l’énergie indisponible. Il est difficile d’extraire de l’énergie de l’atmosphère car la température n’est pas assez élevée. L’effet cumulatif de l’énergie perdue dans l’atmosphère ou l’océan est qu’elle est également continuellement rayonnée vers le reste de l’univers où elle devient complètement indisponible. La deuxième loi de la thermodynamique régit ce processus.
Les lois de la thermodynamique ont beaucoup plus d’applications que ce qui a été montré ici, mais cela dépasse le cadre de ce livre. Ici, il est simplement nécessaire d’avoir un peu de compréhension des lois de la thermodynamique pour que les processus énergétiques puissent être un peu mieux compris.