Comment calculer la masse volumique
Apprenez a calculer la masse volumique avec la formule masse volumique = masse / volume. Couvre les unites, les techniques de mesure, la flottabilite et les applications.
Les lois de la thermodynamique
La thermodynamique est l'etude de l'energie, de la chaleur et du travail. Elle repose sur quatre lois. La loi zero definit l'equilibre thermique : si A est en equilibre thermique avec C et B aussi, alors A et B sont en equilibre entre eux. La premiere loi est la conservation de l'energie : l'energie ne peut etre ni creee ni detruite, seulement transformee (deltaU = Q - W). La deuxieme loi stipule que l'entropie d'un systeme isole ne peut qu'augmenter. La troisieme loi dit que l'entropie d'un cristal parfait au zero absolu est zero. Ces lois gouvernent tout, des moteurs aux etoiles.
Chaleur et temperature
La chaleur (Q) est un transfert d'energie entre des systemes a des temperatures differentes. La temperature est une mesure de l'energie cinetique moyenne des molecules. Elles ne sont pas la meme chose : un lac a basse temperature contient plus d'energie thermique totale qu'une tasse d'eau bouillante car il a une masse beaucoup plus grande. La chaleur specifique (c) est l'energie necessaire pour elever la temperature d'un kilogramme de materiau d'un degre : Q = m*c*deltaT. L'eau a une chaleur specifique exceptionnellement elevee (4 186 J/kg*K), ce qui explique pourquoi les climats cotiers sont plus moderes.
Transfert de chaleur
La chaleur se transfere par trois mecanismes. La conduction est le transfert a travers un materiau solide par contact moleculaire (une cuillere metallique dans une tasse chaude). La convection est le transfert par le mouvement d'un fluide (l'air chaud monte, l'air froid descend). Le rayonnement est le transfert par des ondes electromagnetiques (la chaleur du soleil). La loi de Fourier decrit la conduction, les courants de convection sont decrits par les nombres de Nusselt et de Rayleigh, et le rayonnement suit la loi de Stefan-Boltzmann. L'isolation thermique vise a reduire les trois modes de transfert.
L'entropie et la deuxieme loi
L'entropie (S) est une mesure du desordre ou du nombre de micro-etats accessibles d'un systeme. La deuxieme loi stipule que les processus naturels augmentent l'entropie totale de l'univers. La chaleur s'ecoule spontanement du chaud vers le froid, jamais l'inverse, sans apport d'energie externe. Un refrigerateur deplace la chaleur du froid vers le chaud, mais il consomme de l'energie electrique et genere plus d'entropie qu'il n'en reduit. La deuxieme loi explique pourquoi aucun moteur ne peut etre efficace a 100 % : une partie de l'energie est toujours « perdue » sous forme de chaleur a basse temperature.
Le cycle de Carnot et le rendement
Le cycle de Carnot definit le rendement maximal theorique pour tout moteur thermique operant entre deux temperatures. Le rendement de Carnot est : eta = 1 - T_froid/T_chaud, ou les temperatures sont en kelvins. Pour un moteur operant entre 600 K (327 degre C) et 300 K (27 degre C), le rendement maximal est 1 - 300/600 = 50 %. Aucun moteur reel n'atteint le rendement de Carnot car il faudrait des processus infiniment lents et sans frottement. Les moteurs a combustion interne atteignent typiquement 25-35 % de rendement, les centrales thermiques 35-45 %, et les centrales a cycle combine jusqu'a 60 %.