Chapitre 1 : Introduction à la thermodynamique
1.1 Définition et concepts fondamentaux
Définition de la thermodynamique
La thermodynamique est la branche de la physique qui étudie les échanges de chaleur et de travail entre les systèmes et leur environnement, ainsi que les transformations d'énergie qui en résultent. Elle repose sur des principes fondamentaux appelés les lois de la thermodynamique.
Concepts fondamentaux
Énergie
L'énergie est la capacité d'un système à effectuer un travail ou à produire de la chaleur. Elle peut exister sous différentes formes, telles que l'énergie cinétique, potentielle, thermique, chimique, etc.
Travail
Le travail est une forme de transfert d'énergie qui se produit lorsqu'une force est appliquée sur un objet et que celui-ci se déplace. En thermodynamique, le travail est souvent associé aux changements de volume d'un gaz. La relation mathématique est : où est le travail, est la pression, et est le changement de volume.
Chaleur
La chaleur est une forme de transfert d'énergie due à une différence de température entre deux systèmes ou entre un système et son environnement. Elle se déplace spontanément d'une région de haute température vers une région de basse température.
Température
La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules dans un système. Elle est souvent exprimée en degrés Celsius (°C), en kelvins (K) ou en degrés Fahrenheit (°F).
Lois de la thermodynamique
Première loi de la thermodynamique (principe de conservation de l'énergie)
La première loi de la thermodynamique stipule que l'énergie totale d'un système isolé reste constante. Elle peut être formulée comme suit : où est la variation de l'énergie interne du système, est la chaleur ajoutée au système, et est le travail effectué par le système.
Deuxième loi de la thermodynamique
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale d'un système isolé ne peut jamais diminuer avec le temps. L'entropie est une mesure de la désorganisation ou du désordre d'un système.
Troisième loi de la thermodynamique
La troisième loi de la thermodynamique stipule que, à mesure que la température d'un système approche le zéro absolu (0 K), l'entropie d'un système parfait (cristal parfait) tend vers zéro.
1.2 Systèmes thermodynamiques et états d'équilibre
Systèmes thermodynamiques
Système fermé
Un système fermé peut échanger de l'énergie (chaleur et travail) avec son environnement, mais pas de matière. Un exemple typique est un récipient hermétiquement fermé contenant un gaz.
Système ouvert
Un système ouvert peut échanger à la fois de l'énergie et de la matière avec son environnement. Un exemple est une casserole d'eau en ébullition sans couvercle.
Système isolé
Un système isolé n'échange ni énergie ni matière avec son environnement. Un thermos parfaitement isolé est une approximation d'un système isolé.
États d'équilibre
Équilibre thermodynamique
Un système est en équilibre thermodynamique lorsqu'il est en équilibre thermique, mécanique, et chimique. Cela signifie que la température, la pression et la composition chimique sont uniformes dans tout le système et ne changent pas avec le temps.
Équilibre thermique
Un système est en équilibre thermique lorsque sa température est uniforme et qu'il n'y a pas de flux de chaleur à l'intérieur du système ou entre le système et son environnement.
Équilibre mécanique
Un système est en équilibre mécanique lorsque la pression est uniforme et qu'il n'y a pas de mouvements de parties du système les unes par rapport aux autres.
Équilibre chimique
Un système est en équilibre chimique lorsque les réactions chimiques qui se produisent dans le système sont à l'équilibre, c'est-à-dire que les vitesses des réactions directes et inverses sont égales.
1.3 Variables d'état et fonctions d'état
Variables d'état
Les variables d'état sont des grandeurs physiques qui décrivent l'état d'un système thermodynamique à l'équilibre. Les principales variables d'état incluent :
Température (T)
La température mesure l'énergie cinétique moyenne des particules dans un système. Elle est exprimée en degrés Celsius (°C), kelvins (K), ou degrés Fahrenheit (°F).
Pression (P)
La pression est la force exercée par unité de surface par les particules d'un fluide en mouvement. Elle est exprimée en pascals (Pa), atmosphères (atm), ou bar (bar).
Volume (V)
Le volume est l'espace occupé par un système. Il est exprimé en mètres cubes (m³), litres (L), ou millilitres (mL).
Énergie interne (U)
L'énergie interne est la somme de toutes les énergies cinétiques et potentielles des particules d'un système. Elle est exprimée en joules (J).
Fonctions d'état
Les fonctions d'état sont des grandeurs qui dépendent uniquement de l'état actuel d'un système, et non de la manière dont cet état a été atteint. Les principales fonctions d'état incluent :
Énergie interne (U)
Comme mentionné ci-dessus, l'énergie interne est une fonction d'état qui représente la somme de toutes les énergies cinétiques et potentielles des particules d'un système.
Enthalpie (H)
L'enthalpie est une fonction d'état qui combine l'énergie interne et le produit de la pression et du volume : Elle est utilisée pour analyser les processus à pression constante.
Entropie (S)
L'entropie est une mesure de la désorganisation ou du désordre d'un système. Elle est une fonction d'état essentielle pour comprendre la deuxième loi de la thermodynamique.
Énergie libre de Gibbs (G)
L'énergie libre de Gibbs est une fonction d'état utilisée pour prédire la spontanéité des réactions chimiques à température et pression constantes :
Énergie libre de Helmholtz (A)
L'énergie libre de Helmholtz est une fonction d'état utilisée pour analyser les processus à température constante :