1 • Rappels de thermodynamique
7
1.2.3 Transformations quasistatiques, réversibles et irréversibles
La thermodynamique ne s’intéresse qu’aux états d’équilibre statique d’un système
constitué d’un grand nombre de particules. Néanmoins, on l’utilise souvent pour étudier
les propriétés initiales et finales d’un système en évolution. Ceci conduit à considérer
trois types de transformations qui jouent un rôle important dans ce contexte. Il s’agit
des transformations quasistatiques, réversibles et irréversibles. Dans cette section nous
allons en donner une première approche intuitive. Nous définirons plus précisément ces
transformations dans la section 1.2.5.
La distinction entre énergie mécanique et chaleur conduit à appeler paramètres externes les variables thermodynamiques autres que la température (i.e. V, P,...). La variation de ces paramètres externes peut créer du travail (par exemple lors d’une variation de
volume). À chaque configuration des paramètres externes correspond un état d’équilibre
thermodynamique. Considérons un système dans une configuration initiale donnée et effectuons une transformation sur celui-ci en faisant varier certains paramètres externes. Si
son évolution est telle qu’il reste toujours en équilibre thermodynamique (correspondant
aux différentes valeurs des paramètres externes prises au cours de la transformation), la
transformation est dite quasistatique. Si, de plus, par une simple inversion de la transformation, on peut retrouver l’état initial, elle est réversible. Dans les deux cas il faut que les
paramètres externes varient suffisamment lentement par rapport au temps de relaxation
du système. Une transformation qui n’est pas réversible est dite irréversible. Comme
nous le préciserons dans la section 1.2.5, une transformation réversible est quasistatique
mais la réciproque n’est pas vraie.
Exemple. Pour fixer les idées, considérons un gaz enfermé dans un cylindre aux parois adiabatiques dont l’une des bases est un piston mobile se déplacant sans frottement (figure 2). Lorsque
le piston se déplace, on change le volume du cylindre, i.e. un de ses paramètres externes. À
chaque position du piston correspond un état d’équilibre. Si, lorsqu’on déplace le piston d’une
distance Dx, le temps de relaxation est de l’ordre de la milliseconde, il suffit alors de le déplacer
en quelques dixièmes de seconde pour que le processus soit considéré comme quasistatique avec
une excellente approximation.
Figure 1.2
c
Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.
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1.2.3 Transformations quasistatiques, réversibles et irréversibles
La thermodynamique ne s’intéresse qu’aux états d’équilibre statique d’un système
constitué d’un grand nombre de particules. Néanmoins, on l’utilise souvent pour étudier
les propriétés initiales et finales d’un système en évolution. Ceci conduit à considérer
trois types de transformations qui jouent un rôle important dans ce contexte. Il s’agit
des transformations quasistatiques, réversibles et irréversibles. Dans cette section nous
allons en donner une première approche intuitive. Nous définirons plus précisément ces
transformations dans la section 1.2.5.
La distinction entre énergie mécanique et chaleur conduit à appeler paramètres externes les variables thermodynamiques autres que la température (i.e. V, P,...). La variation de ces paramètres externes peut créer du travail (par exemple lors d’une variation de
volume). À chaque configuration des paramètres externes correspond un état d’équilibre
thermodynamique. Considérons un système dans une configuration initiale donnée et effectuons une transformation sur celui-ci en faisant varier certains paramètres externes. Si
son évolution est telle qu’il reste toujours en équilibre thermodynamique (correspondant
aux différentes valeurs des paramètres externes prises au cours de la transformation), la
transformation est dite quasistatique. Si, de plus, par une simple inversion de la transformation, on peut retrouver l’état initial, elle est réversible. Dans les deux cas il faut que les
paramètres externes varient suffisamment lentement par rapport au temps de relaxation
du système. Une transformation qui n’est pas réversible est dite irréversible. Comme
nous le préciserons dans la section 1.2.5, une transformation réversible est quasistatique
mais la réciproque n’est pas vraie.
Exemple. Pour fixer les idées, considérons un gaz enfermé dans un cylindre aux parois adiabatiques dont l’une des bases est un piston mobile se déplacant sans frottement (figure 2). Lorsque
le piston se déplace, on change le volume du cylindre, i.e. un de ses paramètres externes. À
chaque position du piston correspond un état d’équilibre. Si, lorsqu’on déplace le piston d’une
distance Dx, le temps de relaxation est de l’ordre de la milliseconde, il suffit alors de le déplacer
en quelques dixièmes de seconde pour que le processus soit considéré comme quasistatique avec
une excellente approximation.
Figure 1.2
c
Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.