Introduction à la thermodynamique/Système thermodynamique
La thermodynamique est la théorie qui se propose de décrire les systèmes macroscopiques. On parle de système macroscopique lorsque celui-ci est constitué d'un grand nombre d'entités (typiquement de l'ordre d'une mole). Deux approches peuvent être distinguées pour l'étude d'un tel système :
- la thermodynamique statistique, qui découle d'une description microscopique de la matière et consiste à établir de façon statistique le comportement macroscopique d'un système de particules.
- la thermodynamique classique, qui découle de l'observation macroscopique du système et consiste à décrire par le biais de certaines variables (T, p, N,..) son état thermodynamique.
Historiquement l'approche classique précède l'approche statistique. Cette dernière, soutenue par les physiciens et chimistes partisans de la théorie atomique, n'a été formalisée qu'à la fin du XIXe siècle. Elle n'est cependant pas nécessaire pour l'étude des machines thermiques. On peut considérer qu'elle englobe la thermodynamique classique qui elle se cantonne à une description continue de la matière.
Les systèmes thermodynamiques
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Un système thermodynamique est un ensemble d'entités pouvant échanger de l'énergie ou de la matière, il constitue un objet macroscopique d'étude. L'ensemble des éléments extérieurs à cet objet est appelé milieu extérieur.
Plusieurs sous-systèmes peuvent être délimités au sein d'un même système alors appelé système total.
Un système ouvert est un système thermodynamique qui peut échanger de la matière et de l'énergie avec l'extérieur
Un système fermé est un système thermodynamique qui n'échange pas de matière avec l'extérieur, mais il peut y avoir un échange d'énergie
- L'échange d'énergie avec l'extérieur peut par exemple se faire sous forme de travail des forces de pression ou sous forme de chaleur.
- Un système fermé n’est pas forcément fermé par une paroi matérielle. Il suffit que la matière ne quitte ni ne pénètre dans le système.
Un système isolé ne peut rien échanger avec l'extérieur : ni matière, ni énergie.
En réalité, aucun système réel n'est totalement isolé, en dehors de l'Univers pris dans son ensemble (par définition il ne peut échanger quoi que ce soit avec un autre système puisqu'il est déjà l'union de tous les systèmes). Mais une bouteille thermos (un vase Dewar clos) est souvent considéré comme isolé avec une bonne approximation.
Les parois
modifierLes parois modélisent l'interface entre deux systèmes mis en contact l'un avec l'autre. Ici, on ne s'intéressera qu'à l'étude des systèmes fermés donc aux parois interdisant l'échange de matière.
On en distingue deux sortes :
Une paroi séparant deux milieux est dite adiabatique lorsqu'elle interdit l'échange de chaleur entre ces deux milieux.
Tout état d'équilibre thermique d'un milieu peut coexister avec tout état d'équilibre thermique de l'autre.
Une paroi séparant deux milieux est dite diathermane lorsqu'elle permet l'échange de chaleur entre ces deux milieux.
Tout déséquilibre thermique entre les deux milieux aura tendance à diminuer pour atteindre un nouvel équilibre commun.
Le transfert de travail mécanique est représenté par le déplacement d'une paroi.
