Décrire un système thermodynamique

Cette fiche présente certaines notions essentielles pour faire le bilan énergétique d'un système : la description d'un système thermodynamique.

I. Introduction

1. Notion de thermodynamique

$\bullet\quad$La thermodynamique est l'étude théorique des systèmes physiques à notre échelle et de leurs échanges d'énergie.

$\bullet\quad$Issue de l'étude de la machine à vapeur au XIX^ème siècle, la thermodynamique s'intéresse tout particulièrement au comportement des fluides (gaz / liquides) : parmi ses applications, on trouve les machines thermiques de notre vie quotidienne :
$\quad\circ\quad$ Le moteur à explosion,
$\quad\circ\quad$ Le réfrigérateur,
$\quad\circ\quad$ La pompe à chaleur,
$\quad\circ\quad$ Etc.

$\bullet\quad$Cette théorie repose sur plusieurs principes très généraux (dont la conservation de l'énergie) ainsi que sur des lois empiriques spécifiques, comme le modèle des gaz parfaits.

$\bullet\quad$L'ensemble de ces résultats permet de faire le bilan énergétique des systèmes physiques, allant de quelques moles de gaz dans un cylindre au système complet {Terre - atmosphère}, par exemple.

2. Notions fondamentales vues en classes de seconde et de première

$\bullet\quad$Cette fiche fait appel à des notions déjà abordées en classe de seconde ou de première :
$\quad\circ\quad$ Notions de système physique et fluide ;
$\quad\circ\quad$ Description d'un système : notions de température, pression, volume, etc.
$\quad\circ\quad$ Phases d'un corps : solide, liquide, gaz.

$\bullet\quad$Les fiches suivantes permettent de revoir ces notions si nécessaire :
$\quad\circ\quad$ Les transformations physiques ;
$\quad\circ\quad$ Statique des fluides.

II. Système thermodynamique

Définition :

Un système thermodynamique est une partie de l'univers qui a une frontière bien délimitée avec le reste du monde (appelé milieu extérieur), et qui peut échanger de l'énergie ou de la matière avec le milieu extérieur.

Exemples :

$\quad\circ\quad$ Une pompe à vélo,
$\quad\circ\quad$ Un chauffe-eau,
$\quad\circ\quad$ L'atmosphère terrestre,
$\quad\circ\quad$ Le Soleil,
$\quad\circ\quad$ Etc.

Remarque : même si la théorie thermodynamique s'applique à tous les systèmes, elle sert essentiellement à étudier les fluides.

1. Différents types de systèmes

Définitions :
$\quad\circ\quad$ Un système est ouvert s'il peut échanger de la matière et de l'énergie avec le milieu extérieur.
$\quad\circ\quad$ Un système est fermé s'il peut échanger de l'énergie avec le milieu extérieur, mais pas de matière (la quantité de matière est constante).
$\quad\circ\quad$ Un système est isolé s'il ne peut échanger ni énergie ni matière avec le milieu extérieur.
$\quad\circ\quad$ Un système est incompressible si son volume ne dépend pas de la pression qu'il subit.

2. Variables d'état

$\bullet\quad$L'état d'un système peut être décrit à l'aide de grandeurs macroscopiques appelées variables d'état. Citons en particulier (ces notions ont déjà été vues en première) :
$\quad\circ\quad$ $n$ : la quantité de matière (en $mol$) ;
$\quad\circ\quad$ $T$ : la température absolue, en kelvin ($K$), qui mesure l'agitation thermique au niveau microscopique ;
$\quad\circ\quad$ $V$ : le volume, en $m^3$ ;
$\quad\circ\quad$ $P$ : la pression, en pascal ($Pa$) ;
$\quad\circ\quad$ $\rho$ (lettre grecque "rho") : la masse volumique, en $kg/m^3$ ;
$\quad\circ\quad$ $M$ : la masse molaire en $kg/mol$.

$\bullet\quad$Remarques :
$\quad\circ\quad$ Les variables d'état sont interdépendantes : elles vérifient certaines égalités ($\rho = \frac{n \times M}{V}$, par exemple) et sont aussi reliées par des équations d'état qui décrivent le comportement de la matière, comme nous allons le découvrir avec le modèle des gaz parfaits.
$\quad\circ\quad$ Certaines variables d'état ne sont pas toujours bien définies dans un système : si on mélange, par exemple, de l'eau chaude et de l'eau froide dans un bain, il va falloir attendre quelques instants avant que la température de l'eau ne soit uniforme (c'est-à-dire la même partout dans le système). De même, lors de la détente brutale d'un gaz, il faut attendre un certain temps pour que pression et température s'uniformisent dans le gaz.
$\quad\circ\quad$ En général, les lois de la thermodynamique ne s'appliquent qu'à des états du système où les variables d'état sont définies et uniformes.

$\bullet\quad$Exemples :
$\quad\circ\quad$ L'air dans une pièce fermée peut être dans l'état suivant : phase gazeuse, $n = 2100$ mol, $T = 293~K~(20^oC)$, $P = 1~ bar$, $V = 50~m^3$, $\rho = 1,3~kg/m^3$ ;
$\quad\circ\quad$ Le café d'un thermos peut être dans l'état suivant : phase liquide, $T = 333~K~(60^oC)$, $P = 1~bar$, $V = 1~L$, $\rho \approx 1000~kg/m^3$.

_{= Merci à krinn pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}