- Définition
La Thermodynamique est la science qui traite de la chaleur et du travail ainsi que des propriétés des substances qui ont un rapport avec la chaleur et le travail.
Exemples
Chauffage de l’eau de 25°C à 40°C;
Fusion de la glace à la température ambiante;
Détente ou compression d’un gaz;
Machine à vapeur;
etc …
- Système et milieu extérieur
On appelle système, une région limitée de l’espace comprenant un ou plusieurs corps qu’on désire étudier.
Le milieu extérieur est l’ensemble des corps qui ne font pas partie du système. Un système fermé est un système qui peut échanger de la chaleur et du travail
mais pas de matière avec le milieu extérieur. Sa masse est constante dans le temps.
Un système ouvert est un système qui peut échanger de la matière, en plus de la chaleur et du travail, avec le milieu extérieur. Sa masse peut varier dans le temps.
Un système isolé est un système qui n’échange ni matière, ni chaleur, ni travail avec le milieu extérieur.
- Equilibre Thermodynamique
Un système est en équilibre thermodynamique si ses variables thermodyna- miques (P, V, T …) sont constantes dans le temps et s’il n’y a aucun échange entre ce système et son milieu extérieur ainsi qu’entre les différentes parties du système.
L’équilibre thermodynamique comprend à la fois l’équilibre mécanique, l’équilibre thermique et l’équilibre chimique.
Un système est en équilibre mécanique quand il n’existe aucune force non compensée, aussi bien à l’intérieur du système qu’entre le système et le milieu extérieur.
Un système est en équilibre thermique quand la température est la même en tous ses points et qu’elle est aussi la même que celle du milieu extérieur.
Un système est en équilibre chimique quand il n’est pas le siège d’une réaction chimique provocant une modification de sa structure interne.
Remarque
Les systèmes étudiés sont supposés au repos, c’est-à-dire, pas de mouvement d’ensemble, ni de translation, ni de rotation.
L’énergie potentielle de pesanteur du système est supposée constante.
- Equation d’état d’un système en équilibre thermodynamique
Un système, dans une situation d’équilibre thermodynamique, est dit se trouver dans un état d’équilibre ou état tout court. Un système possède plusieurs états qui représentent les différentes situations dans lesquelles il peut se trouver.
L’état d’un système en équilibre thermodynamique peut être décrit par un petit nombre de grandeurs macroscopiques, appelées variables d’état ou paramètres d’état.
Ces grandeurs sont liées entre elles par une relation appelée équation d’état. Un corps solide, liquide ou gazeux peut être décrit par trois paramètres d’état : son volume V, sa pression P et sa température T. Son équation d’état est donc de la forme :
f( P, V, T ) = 0
A titre d’exemple, un gaz dit parfait a pour équation d’état :
PV - nRT = 0.
- Variable intensive et variable extensive
Une variable intensive est une grandeur indépendante de la masse du système. La pression, la température, la masse volumique sont des variables intensives.
Une variable extensive est une grandeur qui dépend de la masse du système. Une variable extensive varie dans les mêmes proportions que la masse du système. Si la masse m du système devient m, où est un nombre positif, une variable extensive est multipliée par alors qu’une variable intensive demeure inchangée.
Le volume, la masse, le nombre de moles, la chaleur, l’énergie sont des variables extensives.
Remarque
Une variable thermodynamique définie par le rapport de deux variables extensi- ves est une variable intensive. Par exemple, la masse volumique, = m/V, est une variable intensive alors que m et V sont des variables extensives.
- Règle des phases
Le nombre de variables indépendantes nécessaires pour décrire un système complexe quelconque est donné par la «règle de Gibbs " ou «règle des phases " :
v = c + 2 -
où v représente le nombre de variables indépendantes ou variance, c le nombre de constituants ou espèces chimiques distinctes qui forment le système et le nombre de phases présentes. On choisit, en général, parmi ces variables indépendantes, la pression, la température et les concentrations des différents constituants dans les diverses phases.
Exemple
Mélange eau liquide + glace en équilibre thermodynamique à la température de 0°C et à la pression atmosphérique.
un seul constituant (eau) : c = 1
deux phases (solide et liquide) : = 2
variance = 1 + 2 - 2 = 1.
Le mélange eau liquide + glace est un système monovariant : une seule variable indépendante. En général, on prend pour variable indépendante la température.
- Transformation d’un système
On appelle transformation d’un système, le passage du système d’un état d’équilibre thermodynamique, dit état initial, à un autre état d’équilibre thermodynamique, dit état final.
Transformation réversible
Une transformation réversible est une transformation constituée par une suite continue d’états d’équilibre thermodynamique.
Au cours d’une transformation réversible, le système est en équilibre thermody- namique à chaque instant. Une transformation réversible peut être effectuée en sens inverse en repassant par les mêmes états d’équilibre.
Dans la pratique, une transformation peut être considérée comme réversible si :
Elle est effectuée très lentement.
Il n’y a pas de forces dissipatives (frottement, hystérésis, etc…), aussi bien à l’intérieur du système, qu’entre le système et le milieu extérieur.
Exemple : compression quasi statique d’un gaz.
Transformation irréversible
Une transformation irréversible est une transformation durant laquelle le système est hors équilibre lors de son passage de l’état initial à l’état final.
Dans la pratique, une transformation irréversible est une transformation qui :
soit s’effectue rapidement.
soit s’effectue en présence des forces de frottement.
soit s’effectue rapidement et en présence de frottements.
Ainsi, toute transformation naturelle ou spontanée est irréversible.
Exemple : compression rapide d’un gaz.
Transformations particulières
Une transformation durant laquelle la pression du système reste constante est appelée isobare.
Une transformation durant laquelle la température du système reste constante
est appelée isotherme.
Une transformation durant laquelle le volume du système reste constant est appelée isochore.
Une transformation qui s’effectue sans échange de chaleur avec le milieu extérieur est appelée adiabatique.
- Cycle
Un système décrit un cycle quand il retourne à l’état initial après avoir effectué un certain nombre de transformations.
Un cycle peut être réversible ou irréversible. Un cycle est réversible lorsque toutes les transformations qui le composent sont réversibles. Un cycle est irréversible lorsqu’une au moins des transformations qui le composent est irréversible.
- Source de chaleur
Une source de chaleur, ou réservoir de chaleur, est un système capable de recevoir ou de fournir de la chaleur sans variation appréciable de sa température.
Une source de chaleur est un système qui a une énergie importante, une masse importante et un volume important par rapport au système avec lequel il échange de la chaleur et du travail.
Exemple : L’atmosphère et la mer peuvent être considérées comme des sources de chaleur.
- Description d’un système
On peut décrire un système thermodynamique de deux façons différentes: une description macroscopique ou une description microscopique.
On décrit un système du point de vue macroscopique quand on ne fait aucune hypothèse sur la structure de la matière. On étudie alors ce système à l’aide de ses variables macroscopiques (pression, température,...).
La Thermodynamique utilisant la description macroscopique est appelée
Thermodynamique classique ou phénoménologique.
On décrit un système du point de vue microscopique quand on fait des hypothèses sur la structure de la matière. Un système est alors considéré comme un ensemble d’atomes ou de molécules. On étudie alors ce système à l’aide de ses variables microscopiques (vitesses des molécules, énergies des molécules,..).
La Thermodynamique utilisant la description microscopique est appelée
Thermodynamique statistique.
Remarque. Les systèmes étudiés en thermodynamique sont constitués d’un grand nombre d’atomes ou de molécules.
- Structure de la matière
La matière est constituée d’atomes. Les atomes peuvent s’associer pour former des molécules. Un atome est électriquement neutre. Il est constitué d’un noyau chargé positivement et où est concentrée pratiquement toute la masse de l’atome, et d’électrons chargés négativement et de masse beaucoup plus faible que celle du noyau. La neutralité électrique de l’atome implique que la somme des charges est nulle. Les dimensions d’un atome sont très petites. Si on assimile un atome à une sphère, son rayon et de l’ordre de 10-10 mètre ou 1 Å, unité appelée Angstrœm.
Un petit grain de matière contient un très grand nombre d’atomes. Pour rendre compte de ce fait, on utilise la notion de «mole » ainsi définie :
La mole est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 0,012 kg de carbone 12 .
Une mole représente N0 = 6,023.1023 atomes ou molécules. Ce nombre N0, noté quelque fois NA, est désigné par « nombre d’Avogadro ».
Suivant les conditions dans lesquelles elle se trouve, la matière peut exister dans l’une des trois phases suivantes: solide, liquide ou gaz.
La phase solide
Un solide est caractérisé par un volume propre, une faible dilatation et une faible compressibilité. Un solide est une substance dense.
Un solide est caractérisé par sa structure ordonnée.
La phase liquide
Un liquide est caractérisé par une facilité d’écoulement. Il n’a pas de forme propre : sa forme est celle du récipient qui le contient. Un liquide se dilate plus qu’un solide. Il est peu compressible, mais sa compressibilité est supérieure à celle d’un solide. Comme le solide, un liquide est une substance dense. Mais dans un liquide, les atomes ou les molécules n’ont pas de position fixe.
Un liquide est caractérisé par sa structure désordonnée.
11.2. La phase gazeuse
Un gaz est également caractérisé par une facilité d’écoulement. Il n’a pas non plus de forme propre : sa forme est celle du récipient qui le contient. Un gaz peut occuper tout le volume qui lui est accessible. Un gaz se dilate énormément et peut être aussi fortement comprimé. Un gaz a une faible densité. Les atomes d’un gaz peuvent se déplacer dans toutes les directions. Ces déplacements s’effectuent d’une manière désordonnée.
Un gaz est caractérisé par sa structure fortement désordonnée.
Fluide.
On utilise le terme fluide pour désigner aussi bien un liquide qu’un gaz.
Vapeur.
On utilise de même le terme vapeur pour désigner un gaz se trouvant dans un état proche de la condensation.
- La pression
On appelle pression P s’exerçant sur une surface plane S, le rapport du module F de la force à la surface S, la force agissant normalement sur la surface S. Symboliquement : P = F / S
La pression étant liée à une grandeur mécanique, qui est la force, est également une grandeur mécanique puisqu’elle représente la force par unité de surface. Mais, contrairement à la force, qui est une grandeur vectorielle, la pression est une grandeur scalaire.
Unité
L’unité de la pression est le N/m2 ou le Pascal Pa.
Autres unités :
Le bar : 1 bar = 105 Pa
L’Atmosphère : 1 atm = 1,013 105 Pa
Le mm de mercure : 1 atm = 760 mmHg.
Sous la pression atmosphérique normale (1 atm), la hauteur de la colonne de mercure est de 760 mmHg.
- La température
Par le toucher, un individu a la sensation physiologique que certains corps sont chauds et d’autres froids. Cette sensation a conduit à la définition d’une grandeur macroscopique, appelée température pour distinguer les corps chauds des corps froids.
En Thermodynamique, on définit la notion de température d’une autre façon, sur la base de l’équilibre thermique entre les corps. "Deux corps en équilibre thermique avec un même troisième sont en équilibre thermique entre eux".
L’ensemble de tous les corps qui sont en équilibre thermique entre eux est caractérisé par une grandeur commune appelée température.
On mesure la température d’un corps à l’aide d’un thermomètre. La science qui a pour objet la mesure de la température à l’aide de thermomètres est appelée thermométrie.
Exemples
Le thermomètre à mercure ou à alcool. C’est un thermomètre dont le volume varie avec la température.
Le thermomètre à résistance de platine. C’est un thermomètre dont la résistance varie avec la température.
etc…
Echelle Celsius
Le symbole de cette échelle est " t " et son unité est le degré Celsius °C. Cette échelle est définie à partir de deux points fixes :
t = 0 oC, qui correspond à la température d’équilibre du mélange "eau liquide
+ eau glace" sous la pression atmosphérique normale (1 atm).
t = 100 oC, qui correspond à la température d’équilibre du mélange "eau liquide + eau vapeur" sous la pression atmosphérique normale (1 atm).
Echelle thermodynamique
Le symbole de cette échelle est " T " et son unité est le Kelvin K. Cette échelle est définie à partir d’un seul point fixe, qui est le point triple de l’eau dont la température est 0,01°C ou 273,16K.
La température thermodynamique T est positive : T ≥ 0.
Il n’existe aucune température inférieure à zéro : T = 0 K est appelé le zéro absolu.
La température thermodynamique T est liée à la température Celsius t par la relation :
T (K) = t (°C) + 273,15
Si les valeurs de t et de T sont différentes, la relation ci-dessus montre cependant qu’une variation de température est représentée par le même intervalle dans les deux échelles : T (K) = t (°C).
– Le volume
Le volume d’un système est l’espace situé à l’intérieur de l’enveloppe qui limite le système.
Unité
Dans le système international, l’unité du volume est le mètre cube (m3).
Autre unité
En pratique, on utilise le litre comme unité de volume.
1 l = 1 dm3 = 10 – 3 m3.
1 m3 = 1000 l
