Utilisateur:Patrick.Delbecq/Brouillon10
La compression et la détente adiabatiques sont des transformations thermodynamiques décrivant le comportement de fluides, notamment de gaz, soumis à des variations de pression. Un processus adiabatique est caractérisé par l'absence d'échange de chaleur entre le système considéré et le milieu extérieur.
Principe
modifierEn raison du premier principe de la thermodynamique, si un système échange du travail avec le milieu extérieur par l'intermédiaire des forces de pression, son énergie interne varie, particulièrement les énergies cinétiques microscopiques constituant l'agitation thermique des particules du système, définissant la température à l'échelle macroscopique. Ceci se traduit par une variation de la température :
- lors d'une compression, la température augmente puisque le milieu extérieur fournit du travail au système, ce qui augmente son énergie interne et donc son agitation thermique ;
- lors d'une détente, la température diminue car c'est le système qui fournit du travail au milieu extérieur.
Dans un processus adiabatique, si la température du système augmente ou diminue, le système ne peut pas atteindre l'équilibre thermique avec le milieu extérieur. Cette condition se réalise si :
- le système est isolé du milieu extérieur par une enceinte adiabatique (par exemple un calorimètre) ;
- la transformation est rapide alors que les échanges de chaleur sont très lents.
Évolution de la température
modifierD'après la loi de Laplace, lors d'un processus adiabatique la pression et la température d'un gaz parfait sont liées par la relation :
La relation de Mayer induit que le coefficient de Laplace . En conséquence, lorsque la pression augmente (compression), la température augmente. inversement, lorsque la pression diminue (détente), la température diminue.
Réversibilité
modifierLes processus adiabatiques sont en général modélisés mathématiquement par des gaz parfaits avec lesquels les opérations sont réversibles et dites « isentropiques », c'est-à-dire à entropie constante. À basse pression, cette approximation est acceptable, mais dans la réalité, l'entropie du système augmente toujours au moins un peu. Le système est alors dit « isenthalpique » car, même si l'entropie augmente, l'énergie totale du système (enthalpie) est, elle, préservée.
Pour expliquer ce phénomène, on considère un cylindre rempli d'un gaz et muni d'un piston. Dans un système réversible (donc théorique), si on comprime le gaz avec le piston et qu'on relâche celui-ci, le piston revient exactement dans sa position d'origine et le gaz, après l'échauffement de sa compression puis le refroidissement de sa détente, revient exactement dans le même état thermodynamique (mêmes pression et température) qu'à l'origine. Dans la réalité, la compression nécessite un effort supplémentaire perdu en chaleur à cause de la viscosité du gaz ; lors de la détente, le travail rendu est diminué par cette même viscosité. À la fin du cycle, le gaz est un petit peu plus chaud et occupe un volume légèrement plus grand qu'au début. Cependant, comme les forces fournies par la détente ont été plus petites que celles requises pour la compression, le travail total rendu est inférieur au travail fourni initialement : la différence correspond à l'énergie absorbée par le gaz pour élever sa température.
Applications
modifierLa compression adiabatique explique l'échauffement de la pompe à vélo, même si cette transformation n'est pas strictement adiabatique. Elle explique le risque du « coup de feu » dans les détendeurs d'oxygène : lorsque l'on ouvre la bouteille, la pression augmente en aval du détendeur et provoque un échauffement ; si le détendeur contient un corps inflammable (corps gras, joint non conforme), il s'enflamme en présence de 100 % d'oxygène et provoque une oxydation exothermique du métal avec un effet similaire à un chalumeau, qui perfore le détendeur (oxycoupage).
La détente adiabatique explique le refroidissement de l'air sortant d'un pneu que l'on dégonfle. Elle est utilisée dans les réfrigérateurs, climatiseurs et groupes frigorifiques, ainsi que pour la dessiccation dans le procédé de détente instantanée contrôlée (DIC).
En météorologie, la compression ou la détente adiabatique avec l'altitude (voir l'article Variation de la pression et de la température atmosphériques avec l'altitude) provoque une variation de température de la masse d'air qui conditionne de nombreux phénomènes atmosphériques, voir l'article Gradient thermique adiabatique. On peut calculer mathématiquement l'énergie et les changements de pression du processus mais en général on utilise une représentation d'une transformation adiabatique sur des diagrammes thermodynamiques. Ces diagrammes sont pré-calculés pour indiquer le chemin de pression en fonction de la température. Les quatre diagrammes thermodynamiques utilisés pour analyser la structure thermique de l'atmosphère sont le téphigramme, le Skew-T, l'émagramme et le diagramme de Stüve.