Thermodynamique/Définitions

Système

Définition

Un système est une portion de l'espace contenue dans une surface réelle ou imaginaire. Ce qui n'est pas inclus dans cette surface est appelé environnement extérieur. Durant une transformation du système, celui-ci peut échanger, ou non, de la matière et/ou de l'énergie avec cet environnement.

Un système est dit ouvert, fermé ou isolé. Chacun de ces termes est par définition, exclusif : un système ne peut pas être en même temps ouvert et fermé, de même qu'il ne peut pas être en même temps fermé et isolé... etc.

Système isolé

Un système isolé n'échange rien avec l'extérieur, ni matière, ni énergie.

Aucun système réel n'est totalement isolé, en dehors de l'Univers pris dans son ensemble, mais une bouteille thermos (un vase Dewar clos) est souvent considérée comme une bonne approximation.

Système fermé

Il n'y a pas d'échange de matière mais il y a échange d'énergie, par exemple sous forme de travail des forces de pression ou sous forme de chaleur.

Variable d'état

Convention : on parlera d'état d'un système par simplification de langage pour dire : état d'équilibre thermodynamique d'un système.

Définition

Les variables d'état sont celles qui permettent de définir l'état d'un système et qui ne dépendent que de l'état macroscopique de ce système ; ce sont par exemple la pression (P), le volume (V), le nombre de moles (n) ou la température (T).

Équations d'état

Équations qui relient entre elles plusieurs variables d'état. Par exemple, un gaz parfait est par définition, un gaz avec les deux fonctions d'état suivantes : U(V,T)= f(T) (f est une fonction croissante ; on dit que le gaz suit la loi de Joule) ET de plus : P.V = RT (pour une mole ; on dit que le gaz suit la loi de Mariotte).

Fonction d'état

Fonction dont les paramètres sont des variables d'état. La valeur d'une fonction d'état ne dépend donc que de l'état macroscopique du système. En conséquence, la somme algébrique de ses variations au cours d'un cycle est nulle.

Variables intensives et extensives

Les variables d'état peuvent être de deux sortes : extensives et intensives.

Les variables extensives sont proportionnelles à la quantité de matière. Si le système S est la réunion de deux systèmes S1 et S2, les variables extensives pour S sont la somme des variables extensives pour S1 et S2. On peut citer comme exemples le volume, la masse, le nombre de moles.

En revanche, les variables intensives sont indépendantes de la quantité de matière. Quelques exemples sont la masse volumique, la pression, la force, la concentration, la température.

Phase

Définition

On appelle phase tout système ou sous-système dont les grandeurs intensives sont des fonctions continues des variables d'espaces x, y et z. À l'équilibre les grandeurs intensives sont uniformes (indépendantes de x, y et z) à l'intérieur d'une phase et constantes (indépendantes de t).

Transformations

Transformation quasistatique

(à compléter )

Pour toute variable intensive i on a :

i_{Milieu extérieur} = i_Système + ε

Autrement dit, pour ce type de transformation, on peut considérer le système concerné comme restant, à chaque instant, très voisin d'un état d'équilibre thermodynamique.

Transformation isotherme

Transformation à température constante.

Transformation monotherme

Transformation telle que la température finale du système est la même que sa température initiale ; cependant, la température peut varier pendant la transformation.

Dit plus simplement, c'est une transformation telle que :

$\Delta {T}=0\,$

mais sans avoir forcément

$dT=0\,$

Transformation isobare

transformation à pression constante du système.

Transformation isochore

Transformation à volume constant pour le système.

Transformation infinitésimale

Transformation dont les états d'équilibre final et initial sont infiniment proches.

Transformation finie

Lorsque la transformation a lieu entre deux états thermodynamiques initial et final bien distincts, on parle de transformation finie.

Transformation adiabatique

Transformation sans échange de chaleur avec le milieu extérieur.

Degré de liberté

Nombre de paramètres nécessaire pour décrire l'état microscopique du système.

Pression d'un fluide

(à compléter) Quand un fluide est en contact avec la surface d'un solide, il exerce des forces pressantes normales en tout point de cette surface.

Ces forces se déterminent par la relation :

$d{\vec {F}}=P.dS.{\vec {n}}$

Remarque : même en l'absence d'un solide immergé, il existe une pression en tout point d'un fluide. Tout élément de volume dV est en équilibre sous l'effet des forces qui s'exercent à sa surface et en son sein (poids du fluide).

En réalisant un bilan des forces on peut ainsi établir la loi de statique des fluides :

$dP=-\rho .g.dz\,$