Le sujet de Processus adiabatique a suscité un grand intérêt dans la société actuelle. C’est une question qui nous concerne tous d’une manière ou d’une autre, directement ou indirectement. Il s’agit sans aucun doute d’un sujet qui a généré des opinions contradictoires et qui a fait l’objet de nombreux débats. Dans cet article, nous analyserons Processus adiabatique en détail et ses implications dans notre vie quotidienne. Nous explorerons différentes perspectives et chercherons à mieux comprendre cette problématique qui nous préoccupe tant.
Le mot « adiabatiqueÉcouter » a été construit à partir du grec ἀδιάϐατος / adiabatos (« infranchissable »), dérivé de διαϐαίνω / diabaínō, « traverser, franchir »,.
Un matériau adiabatique est imperméable à la chaleur,. Une « enceinte adiabatique » empêche tout échange de chaleur entre un système et son environnement. Dans ce sens, les mots « atherme » et « athermane » sont synonymes.
Une transformation thermodynamique dans laquelle le système étudié n'échange aucune chaleur avec son environnement est dite « transformation adiabatique » ou « processus adiabatique »,. Dans ce sens, le mot « athermique » est synonyme.
Une « courbe adiabatique », ou plus simplement une « adiabatique », est une courbe représentant une transformation adiabatique dans un diagramme thermodynamique.
Un corps qui laisse passer la chaleur est dit « diathermane », « diatherme » ou « diathermique »,,,,. Le terme « diabatique » est parfois utilisé, particulièrement en météorologie,,,.
Processus adiabatique
Le premier principe de la thermodynamique énonce que, lors d'une transformation quelconque, la variation d'énergie interne d'un système fermé (qui n'échange pas de matière avec l'extérieur) est égale à la somme du travail et de la chaleur échangés entre ce système et son extérieur. Pour une transformation élémentaire (donnant lieu à une petite variation des paramètres décrivant le système), on a alors :
Premier principe de la thermodynamique :
Le travail des forces (notamment la pression) agissant sur le système durant la transformation est un transfert ordonné d'énergie mécanique. La chaleur est un transfert désordonné d'énergie thermique.
Un processus adiabatique est par définition une transformation sans aucun transfert thermique, c'est-à-dire sans échange de chaleur, soit . La variation d'énergie interne du système est égale au seul transfert d'énergie mécanique par le travail des forces appliquées sur le système :
La différentielle de l'énergie interne s'écrit alors :
Le terme peut être dû à une réaction chimique ou au travail d'une force irrécupérable, comme celui des forces de frottements ou de viscosité dissipé en chaleur.
Un processus isentropique est une transformation dans laquelle l'entropie ne varie pas, soit . On peut établir que, :
un processus isentropique et réversible est adiabatique : on a et d'où ;
un processus isentropique et irréversible n'est pas adiabatique : on a et d'où ;
un processus adiabatique et réversible est isentropique : on a et d'où ;
un processus adiabatique et irréversible n'est pas isentropique : on a et d'où .
Il n'y a par conséquent pas d'équivalence entre les termes « adiabatique » et « isentropique ». Une transformation n'est à la fois adiabatique et isentropique que si elle est réversible.
Processus adiabatique réversible
Par définition des coefficients calorimétriques, on a les relations générales pour une transformation adiabatique réversible, en l'absence de réaction chimique :
Relations générales pour les transformations adiabatiques réversibles
En considérant comme constant, on obtient par intégration la loi de Laplace, :
Loi de Laplace
ou ou
La constante étant supérieure à 1, une transformation adiabatique réversible fait varier la pression dans le sens inverse du volume : la pression augmente lorsque le volume diminue.
En combinant la loi de Laplace avec la loi des gaz parfaits, on obtient d'autres formulations de la loi d'évolution adiabatique réversible.
ou ou
Une transformation adiabatique réversible fait varier la pression dans le même sens que la température : la pression augmente lorsque la température augmente.
ou ou
Une transformation adiabatique réversible fait varier le volume dans le sens inverse de la température : la température augmente lorsque le volume diminue.
Travail d'un gaz lors d'un processus adiabatique réversible
Les deux relations établies pour le gaz parfait donnent :
et :
Le travail produit par le système étudié lors du processus adiabatique réversible (compression ou détente), entre un état initial et un état final , vaut :
d'où, en considérant et comme constants :
Travail produit par le processus adiabatique réversible
avec :
, et les pression, volume et température initiaux, avec ;
, et les pression, volume et température finaux, avec ;
pour un gaz parfait.
Le travail ainsi calculé représente la variation d'énergie interne du système étudié. Le milieu extérieur au système récupère le travail .
Autres applications
Efficacité énergétique d'un processus adiabatique
L'efficacité énergétique est définie comme le rapport entre le travail fourni par le système et l'énergie utilisée pour fournir ce travail.
Dans un processus adiabatique, par définition, la variation d'énergie interne du système est égale au seul transfert d'énergie mécanique par le travail de forces appliquées sur le système, car les transferts thermiques sont nuls, d'où :
Ceci revient à dire que l'efficacité énergétique d'un processus adiabatique est par définition de 100 %, ou bien qu'il n'y a aucune perte ni aucune addition d'énergie thermique durant le processus adiabatique. Ceci suppose en particulier qu'il n'y ait aucun frottement ou aucune viscosité, forces dont le travail irrécupérable dissipe de l'énergie sous forme de chaleur. Un processus adiabatique est donc un cas idéal.
Cycle de Carnot
Un moteur thermique est un dispositif permettant d'échanger du travail et une quantité de chaleur avec un milieu extérieur. Cet échange se fait par un cycle répété de nombreuses fois. Il se produit une série de transformations thermodynamiques dont certaines sont adiabatiques.
Par exemple, le cycle de Carnot correspond à un ensemble de deux transformations adiabatiques et deux transformations isothermes. Durant ce cycle, le gaz subit, dans l'ordre : une détente isotherme réversible, une détente adiabatique réversible (donc isentropique), une compression isotherme réversible et une compression adiabatique réversible (donc isentropique).
Refroidissement adiabatique
Le refroidissement adiabatique est une méthode de rafraîchissement d'air basée sur l'évaporation de l'eau. Cette technique est aussi appelée « bioclimatisation », « rafraîchissement d'air par évaporation » ou « climatisation naturelle ».
L'air chaud et sec qui passe à travers un aérosol d'eau induit une évaporation partielle de celle-ci. L'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau est extraite de l'air, qui est ainsi refroidi et humidifié. Si l'on excepte l'eau pulvérisée qui doit alimenter un tel système, la seule énergie consommée est le travail du ventilateur nécessaire à la circulation de l'air à travers le flux d'eau,,.
↑G. Oscar Villeneuve, Glossaire de météorologie et de climatologie, Presses Université Laval, coll. « Choronoma Series », , 680 p. (ISBN9782763768960, lire en ligne), p. 359.
↑Alain Garnier, Le bâtiment à énergie positive : Comment maîtriser l'énergie dans l'habitat ?, Éditions Eyrolles, coll. « L'efficacité énergétique du bâtiment », , 296 p. (ISBN9782212162110, lire en ligne), p. 176.
↑Jack Bossard, Christian Feldmann et Jean Hrabovsky, Pratique de la climatisation : en 24 fiches-outils, Dunod, , 264 p. (ISBN9782100813155, lire en ligne), p. 120 (fiche n°13 - rafraîchissement adiabatique).
↑Manfred Hegger, Construction et énergie : architecture et développement durable, PPUR Presses polytechniques, , 280 p. (ISBN9782880747961, lire en ligne), p. 130.
Bibliographie
Pierre Infelta et Michael Graetzel, Thermodynamique : Principes et Applications, Boca Raton, Floride, BrownWalker Press, , 484 p. (ISBN1-58112-995-5, lire en ligne).
Georges Faverjon, Thermodynamique MPSI, Editions Bréal, coll. « Les Nouveaux précis Bréal », , 192 p. (ISBN9782749502304, lire en ligne).