17 La thermodynamique
1. EN QUELQUES MOTS…
Les principales notions utilisées en thermodynamique (système, état d’équilibre thermodynamique, transformation) sont définies. La méthode de résolution d’un problème de
thermodynamique est décrite.
2. CE QU’IL FAUT RETENIR…
a) Système thermodynamique
c Le système est l’objet de l’étude. Les systèmes thermodynamiques sont des systèmes
macroscopiques : ils comportent un grand nombre de particules. Par exemple, le système
constitué de 3 g d’eau est un système macroscopique, il contient 10 23 molécules d’eau.
Le milieu extérieur est, par définition, le complément du système dans « l’Univers ».
c Les échanges avec le milieu extérieur (échange de matière, échange d’énergie) ont lieu au
niveau de la surface séparant celui-ci du système. D’où les différents systèmes :
– Isolé : le système n’a aucun échange avec le milieu extérieur.
– Fermé : le système échange de l’énergie, mais pas de matière avec le milieu extérieur.
– Ouvert : le système échange de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur.
Un système est homogène, si ses propriétés sont les mêmes en tous ses points.
b) État d’équilibre thermodynamique et variables thermodynamiques
Les propriétés du système sont décrites par un petit nombre de variables macroscopiques.
Définissons l’équilibre thermodynamique
–U n état stationnaire est un état décrit par des variables indépendantes du temps.
–U n état d’équilibre thermodynamique est un état où le système est dans un état stationnaire
et est homogène. Il est décrit par des variables thermodynamiques qui sont indépendantes
du temps et ont la même valeur en tout point du système, par exemple la pression, la température. L’état d’équilibre thermodynamique est un état d’équilibre global.
c Propriétés des variables thermodynamiques
Æ Variables extensives, variables intensives
Deux systèmes identiques dans le même état d’équilibre thermodynamique sont réunis en un
seul système. Les variables thermodynamiques décrivant le système global sont :
–S oit multipliées par 2, ces variables sont appelées variables extensives, par exemple la
masse, le volume, l’énergie… Les variables extensives vérifient la propriété d’additivité.
–S oit identiques à leurs valeurs initiales, ces variables sont appelées variables intensives,
par exemple la pression, la température, la masse volumique…
Æ Toutes les variables décrivant un système à l’équilibre thermodynamique ne sont pas indépendantes. Elles sont reliées par une relation appelée équation d’état.
Considérons, par exemple, l’état d’équilibre thermodynamique d’un gaz. Le nombre n de
moles, la pression p, la température T et le volume V décrivent l’état du gaz. Ces variables ne
sont pas indépendantes et sont reliées par l’équation d’état :
.
Si le système gazeux est fermé, n est fixé, il n’y a donc que deux variables indépendantes. Les
états d’équilibre thermodynamique de ce système peuvent être représentés dans un espace à
deux dimensions muni d’axes orthonormés, par exemple le diagramme de Watt (p, V).
pf nV T
= (, ,)
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1. EN QUELQUES MOTS…
Les principales notions utilisées en thermodynamique (système, état d’équilibre thermodynamique, transformation) sont définies. La méthode de résolution d’un problème de
thermodynamique est décrite.
2. CE QU’IL FAUT RETENIR…
a) Système thermodynamique
c Le système est l’objet de l’étude. Les systèmes thermodynamiques sont des systèmes
macroscopiques : ils comportent un grand nombre de particules. Par exemple, le système
constitué de 3 g d’eau est un système macroscopique, il contient 10 23 molécules d’eau.
Le milieu extérieur est, par définition, le complément du système dans « l’Univers ».
c Les échanges avec le milieu extérieur (échange de matière, échange d’énergie) ont lieu au
niveau de la surface séparant celui-ci du système. D’où les différents systèmes :
– Isolé : le système n’a aucun échange avec le milieu extérieur.
– Fermé : le système échange de l’énergie, mais pas de matière avec le milieu extérieur.
– Ouvert : le système échange de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur.
Un système est homogène, si ses propriétés sont les mêmes en tous ses points.
b) État d’équilibre thermodynamique et variables thermodynamiques
Les propriétés du système sont décrites par un petit nombre de variables macroscopiques.
Définissons l’équilibre thermodynamique
–U n état stationnaire est un état décrit par des variables indépendantes du temps.
–U n état d’équilibre thermodynamique est un état où le système est dans un état stationnaire
et est homogène. Il est décrit par des variables thermodynamiques qui sont indépendantes
du temps et ont la même valeur en tout point du système, par exemple la pression, la température. L’état d’équilibre thermodynamique est un état d’équilibre global.
c Propriétés des variables thermodynamiques
Æ Variables extensives, variables intensives
Deux systèmes identiques dans le même état d’équilibre thermodynamique sont réunis en un
seul système. Les variables thermodynamiques décrivant le système global sont :
–S oit multipliées par 2, ces variables sont appelées variables extensives, par exemple la
masse, le volume, l’énergie… Les variables extensives vérifient la propriété d’additivité.
–S oit identiques à leurs valeurs initiales, ces variables sont appelées variables intensives,
par exemple la pression, la température, la masse volumique…
Æ Toutes les variables décrivant un système à l’équilibre thermodynamique ne sont pas indépendantes. Elles sont reliées par une relation appelée équation d’état.
Considérons, par exemple, l’état d’équilibre thermodynamique d’un gaz. Le nombre n de
moles, la pression p, la température T et le volume V décrivent l’état du gaz. Ces variables ne
sont pas indépendantes et sont reliées par l’équation d’état :
.
Si le système gazeux est fermé, n est fixé, il n’y a donc que deux variables indépendantes. Les
états d’équilibre thermodynamique de ce système peuvent être représentés dans un espace à
deux dimensions muni d’axes orthonormés, par exemple le diagramme de Watt (p, V).
pf nV T
= (, ,)
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