Chapitre 7 • Systèmes thermodynamiques
7.1 NOTIONS DE BASE
La thermodynamique utilise des termes spécifiques ayant un sens bien précis pour
décrire les différentes situations qu’elle étudie. La compréhension de ces termes est
indispensable pour aborder sereinement un problème de thermodynamique.
7.1.1 Système
La notion de système est fondamentale en thermodynamique : le système représente
l’objet de l’étude, la référence dans laquelle on se place. Toute résolution d’un problème
de thermodynamique passe d’abord par la définition précise de ce terme.
Définition
Un système se définit comme un volume limité par des frontières matérielles (parois)
ou fictives, fixes ou mobiles, contenant la matière qu’on étudie. Tout ce qui n’est
pas le système constitue le milieu extérieur.
On rencontre trois types de système : un système isolé ne peut échanger ni matière
ni énergie avec le milieu extérieur, un système fermé (vase clos) échange de l’énergie
mais pas de matière avec le milieu extérieur, enfin un système ouvert échange à la fois
de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur.
L’état d’un système est décrit par un nombre limité de grandeurs qu’on appelle
variables d’état ou paramètres d’état. Les grandeurs proportionnelles à la quantité de
matière du système sont qualifiées d’extensives (masse, volume, énergie...) alors que
celles qui en sont indépendantes sont dites intensives (pression, température...).
On appelle équation d’état une relation liant plusieurs variables d’état permettant de
décrire entièrement l’état d’un système.
L’équilibre d’un système est atteint lorsque tous les paramètres d’état sont uniformes
et invariables avec le temps. Un système où toutes les forces entre lui et le milieu
extérieur se compensent (équilibre mécanique), où tous les points sont à la même
température (équilibre thermique) et qui n’a pas tendance à évoluer vers une structure
interne différente (équilibre chimique) est en équilibre thermodynamique.
7.1.2 États physiques d’un corps pur
Tout corps pur (corps formés d’un seul constituant) présente trois domaines de stabilité
où il n’existe que sous une seule phase : solide, liquide ou gazeuse. Ces domaines
sont délimités par trois courbes où deux phases coexistent en équilibre : courbe de
vaporisation (liquide + gaz), courbe de fusion (solide + liquide), courbe de sublimation
(solide + gaz). Le point commun aux trois courbes (coexistence simultanée des trois
phases) est appelé point triple (Y) et le point au-delà duquel il n’y a plus de distinction
possible entre liquide et gaz est appelé point critique (C).
Le passage d’une phase à une autre est appelé changement d’état. Ils sont au nombre
de six : la fusion (solide → liquide), la vaporisation (liquide → gaz), la sublimation
146
“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 146 — #156
i
i
i
i
7.1 NOTIONS DE BASE
La thermodynamique utilise des termes spécifiques ayant un sens bien précis pour
décrire les différentes situations qu’elle étudie. La compréhension de ces termes est
indispensable pour aborder sereinement un problème de thermodynamique.
7.1.1 Système
La notion de système est fondamentale en thermodynamique : le système représente
l’objet de l’étude, la référence dans laquelle on se place. Toute résolution d’un problème
de thermodynamique passe d’abord par la définition précise de ce terme.
Définition
Un système se définit comme un volume limité par des frontières matérielles (parois)
ou fictives, fixes ou mobiles, contenant la matière qu’on étudie. Tout ce qui n’est
pas le système constitue le milieu extérieur.
On rencontre trois types de système : un système isolé ne peut échanger ni matière
ni énergie avec le milieu extérieur, un système fermé (vase clos) échange de l’énergie
mais pas de matière avec le milieu extérieur, enfin un système ouvert échange à la fois
de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur.
L’état d’un système est décrit par un nombre limité de grandeurs qu’on appelle
variables d’état ou paramètres d’état. Les grandeurs proportionnelles à la quantité de
matière du système sont qualifiées d’extensives (masse, volume, énergie...) alors que
celles qui en sont indépendantes sont dites intensives (pression, température...).
On appelle équation d’état une relation liant plusieurs variables d’état permettant de
décrire entièrement l’état d’un système.
L’équilibre d’un système est atteint lorsque tous les paramètres d’état sont uniformes
et invariables avec le temps. Un système où toutes les forces entre lui et le milieu
extérieur se compensent (équilibre mécanique), où tous les points sont à la même
température (équilibre thermique) et qui n’a pas tendance à évoluer vers une structure
interne différente (équilibre chimique) est en équilibre thermodynamique.
7.1.2 États physiques d’un corps pur
Tout corps pur (corps formés d’un seul constituant) présente trois domaines de stabilité
où il n’existe que sous une seule phase : solide, liquide ou gazeuse. Ces domaines
sont délimités par trois courbes où deux phases coexistent en équilibre : courbe de
vaporisation (liquide + gaz), courbe de fusion (solide + liquide), courbe de sublimation
(solide + gaz). Le point commun aux trois courbes (coexistence simultanée des trois
phases) est appelé point triple (Y) et le point au-delà duquel il n’y a plus de distinction
possible entre liquide et gaz est appelé point critique (C).
Le passage d’une phase à une autre est appelé changement d’état. Ils sont au nombre
de six : la fusion (solide → liquide), la vaporisation (liquide → gaz), la sublimation
146
“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 146 — #156
i
i
i
i