La termodinamica es una disciplina de la fisica qu'estúdia lei transferiments de calor e lei relacions entre aquelei transferiments e l'energia e lo trabalh dins lei sistèmas fisics macroscopics (es a dire leis objèctes « grands » e non lei moleculas o leis atòms). Per aquò, definís divèrsei variablas macroscopicas coma la temperatura, l'entropia, l'energia intèrna o la pression que permeton de caracterizar l'evolucion dau còrs estudiat e donc, indirèctament, lo comportament dau grand nombre de compausats microscopics que lo compausan.
A l'ora d'ara, lei domenis d'aplicacion de la termodinamica son fòrça nombrós e es una disciplina majora au sen dei sciéncias modèrnas e, subretot, au sen de l'engenhariá gràcias a sei liames ambé la quimia. D'efèct, es capabla de preveire lo foncionament d'un motor de combustion, lei transicions de fasa entre leis estats de la matèria, lo debanament corrècte o optimau d'una reaccion quimica, l'evolucion d'una matèria somés a una temperatura auta... etc(en) J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, Edicions Mc Graw Hill (2005), ISBN 0-07-310445-0, OCLC 56491111.. De mai, dempuei la fin dau sègle XX, se desvolopa d'aplicacions dins lo domeni de la medecina e de la biologia(en) Donald T. Haynie, Biological Thermodynamics, Edicions Cambridge University Press (2001), ISBN 0-521-79549-4, OCLC 43993556.
Lo tèrme foguèt inventat e popularizat dins lo corrent dau decenni 1850 quand la termodinamica acomencèt d'aparéisser coma un camp d'estudi scientific novèu. Lo fisician britanic William Thomson (1824-1907), dich lord Kelvin, es sovent creditat de son invencion en 1849(en) Willian T. Kelvin, An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat – with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam, Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI (1849). Sembla tanben que James Prescott Joule sigue de còps creditat de l'invencion dau tèrme. e son adopcion per la comunautat scientifica foguèt rapida. Aperavans, la disciplina èra estada fondada per lo Francés Sadi Carnot (1796-1834) qu'estudièt au començament dau sègle XIX lei transferiments de calor d'una maquina de vapor bastida per l'Anglés Thomas Newcomen (1663-1729) en 1703.
Istòria de la termodinamica
Lei trabalhs precursors de Sadi Carnot (1824)
Sadi Carnot (1796-1834), fiu dau scientific e revolucionari francés Lazare Carnot (1753-1823), foguèt lo premier qu'estudièt lei transferiments de calor d'una maquina de vapor e lei cicles dau motor au començament dau sègle XIX. Descurbiguèt lo segond principi de la termodinamica e formulèt son premier enonciat. Per aquò, es considerat coma lo « paire de la termodinamica ». Sei trabalhs foguèron publicats en 1824 dins l'obratge Reflexions sus la poissança motritz dau fuòc (en francés : Réflexions sur la puissance motrice du feu). Èran devesits entre cinc partidas principalas tractant de la calor e la poténcia motritz, dau cicle ideau d'un motor perfèct (d'ara endavant dich cicle de Carnot), de la reversibilitat d'aqueu cicle, deis aplicacions de sei descubèrtas a la fisica dei gas e enfin de la possibilitat de crear un motor d'èr. Pasmens, maugrat una presentacion positiva a l'Academia dei Sciéncias per Pierre-Simon Girard (1765-1835), gaire de scientifics èran capables de comprendre la portada de son òbra.
L'equivaléncia entre trabalh e calor (1840-1845)
Après la publicacion de l'òbra de Sadi Carnot en 1824 e sa mòrt en 1832, lei recèrcas sus la termodinamica conoguèron un periòde de pausa fins ais annadas 1840 e la descubèrta dau principi de l'equivaléncia entre trabalh e calor. Dos scientifics, l'Alemand Julius Robert von Mayer (1814-1878) e lo Britanic James Prescott Joule (1818-1889) realizèron en parallèl una tièra d'experiéncias que van permetre de formular aqueu principi entre 1840 e 1845Lo Danés Ludwig August Colding (1815-1888) realizèt tanben una tièra d'experiéncias similaras de 1840 a 1843 e aguèt de resultats similars. Pasmens, sei trabalhs foguèron publicats solament en danés e demorèron desconeguts en fòra de son país. e d'acomençar la definicion dei principis generaus de la termodinamicas dins lo corrent de la segonda mitat dau sègle XIX.
Lo premier capitèt d'aplicar lo principi de la conservacion de l'energia — nocion fondamentala de la fisica modèrna que foguèt formulada en 1847 — a la termodinamica. Demonstrèt la possibilitat de transformar una forma donada d'energia en calor. Per aquò, capitèt de caufar d'aiga (produccion de calor) gràcias a de vibracions (energia cinetica qu'èra lo trabalh fornit au sistèma). Publiquèt sei resultats en 1842 dins un jornau alemand. Puei, assaièt de calcular la valor de l'equivaléncia mecanica de la calor. En 1845, trobèt 365 kgf.m.kcal-1 que foguèt finalament corregida a 425 kgf.m.kcal-1 (valor modèrna : 426,6 kgf.m.kcal-1 siá 4,184 kJ.kcal-1).
Lo segond, ja conegut per sei resultats dins la recèrca sus l'electricitat, obtenguèt de resultats similars que foguèron publicats a partir de 1843. Capitèt de mostrar la conservacion de l'energia ambé d'experiéncias sus l'aiga coma Meyer. Pasmens, capitèt tanben d'estendre lo camp de sei recèrcas sus la produccion de calor a partir d'una forma d'energia mecanica (compression d'un gas). La mesurèt egala a 4,42 kJ.kcal-1. En 1845, poguèt presentar sei resultats a Cambridge e atacar lei teorias desvolopadas dins leis annadas 1830 per Emile Clapeyron a partir dei trabalhs de Sadi Carnot.
Aquelei publicacions quasi simultanèas entraïnèron un debat de prioritat entre lei dos òmes que deguèron tanben faciar divèrseis oposicions au sen de la comunautat scientificaLei trabalhs e lo succès de Kelvin, qu'èra britanic coma Joule, entraïnèron pauc a pauc la demembrança de Meyer.. Pasmens, a partir de la fin deis annadas 1840, lei premierei formulacions dau principi de la conservacion de l'energia van permetre de confirmar lor teoria. Pus important, vèrs 1847, un discors de Joule per presentar sei resultats va atraire l'atencion de William Thomson (1824-1907) que va perseguir sei recèrcas e utilizar lo principi de l'equivaléncia entre trabalh (energia fornida) e calor per definir la temperatura e pausar lei basas fondamentalas de la termodinamica.
La definicion de la temperatura (1848)
Lo concèpte de temperatura apareguèt au sègle XVII ambé l'invencion dei premiers termomètres e dos escalas de temperatura — aquelei de Fahrenheit e de Celsius — èran fòrça populars au sen de la comunautat scientifica mai permetián solament una mesura relativa de la temperatura. Òr, aquò èra gaire compatible ambé la nocion de temperatura termodinamica que necessitava la definicion d'una temperatura absoluda que foguèt la premiera òbra en termodinamica de Kelvin en 1848.
Aquela nocion necessita d'introdurre lo concèpte de zèro absolut. Aquela idèa èra estada ja imaginada per Guillaume Amontons (1663-1705) e per Sadi Carnot mai Kelvin capitèt de'n formular la premiera definicion complèta e creèt una escala de temperatura novèla basada sus aqueu principi. Per aquò, Kelvin prenguèt lo zèro absolut coma ponch de réferéncia unic de son escala e creèt lo gra KelvinLa definicion oficiala dau gra Kelvin foguèt adoptada en 1954. Lo tèrme « gra » foguèt retirat en 1967 per marcar una diferéncia entre la temperatura absoluda mesurada en kelvins e lei temperaturas relativas mesuradas en gra Celsius o gra Fahrenheit. coma unitat de mesura a partir de la fraccion 1/273,16 dau ponch triple de l'aiga.
La consequéncia d'aquela definicion foguèt de permetre lo desvolopament de grandors novèlas, dichas termodinamicas, liadas a la temperatura. Ansin, la conoissença d'aquelei grandors permet de calcular la valor de la temperatura e inversament. Aquò va permetre d'estructurar aquela sciéncia novèla dins lo corrent de la segonda mitat dau sègle XIX a l'entorn de la formulacion dau premier ensems de teorias de basa de la termodinamica.
La descubèrta dei principis de la termodinamica (1852-1906)
La formulacion dei tres premiers principis de la termodinamica se debanèt en doas etapas de 1852 a 1906. La premiera veguèt la definicion dei dos premiers per Kelvin e la segonda aquela dau tresen principi per Walther Nernst (1864-1941). Lei trabalhs e leis experiéncias de Carnot, de von Meyer e de Joule foguèron utilizats utilizats coma basa per Kelvin per la formulacion dei dos premiers principis. Lo tresen foguèt entraïnat per lei progrès dins l'estudi dei gas e dei temperaturas bassas. En 1931, un principi zèro foguèt apondut per servir de basa matematica a la termodinamica. La formulacion d'aquelei lèis permetèt de definir lei principalei grandors utilizadas per la termodinamica coma l'energia intèrna, la calor, lo trabalh e l'entropia.
La formalizacion de la teorica cinetica dei gas (annadas 1860-1870)
L'idèa d'una teoria cinetica dei gas èra ja una idèa anciana au començament de la segonda mitat dau sègle XIX . Sa premiera evocacion se debanèt en 1620 dins lei trabalhs de Francis Bacon (1561-1620) e, au sègle XVIII, Daniel Bernoulli (1700-1782) e Benjamin Thompson (1853-1814) acomencèron de desvolopar lei premierei nocions d'aquela teoria. En 1820, foguèt formulada la premiera teoria cinetica mai son autor, John Herapath (1790-1863), s'enganèt sus la definicion de la temperatura.
La premiera teoria cinetica dei gas pròche dei teorias modèrnas foguèt publicada per John James Waterston (1811-1883) en 1843 mai son trabalh demorèt desconegut. Serà necessari d'esperar leis annadas 1860 per veire lei premiers succès gràcias ais òbras de Rudolf Clausius (1822-1888), de James Clerk Maxwell (1831-1889) e subretot de Ludwig Boltzmann (1844-1906). Capitèron de formular pauc a pauc aquela teoria que permetèt d'obtenir divèrsei resultats importants a partir deis annadas 1860 e 1870 : distribucion de Maxwell-Boltzmann (1859-1871), equacion de Boltzmann (1872), equacion de Van der Waals (1873)...
Lo desvolopament d'aquela teorica aguèt divèrsei consequéncias importantas. De'n premier, permetèt de trobar lei definicions microscopicas o macroscopicas de divèrsei grandors fondamentalas de la termodinamica. Per exemple, foguèt lo cas dau concèpte macroscopic de l'entropia introduch en 1965 per Clausius. Permetèt tanben de melhorar la conoissença de la nocion de pression. Enfin, permetèt de crear d'otís novèus que van favorizar l'aplicacion de la termodinamica a la quimia e l'aparicion de la termodinamica estatica.
L'aplicacion de la termodinamica a la quimia (1876)