Chapitre II : Généralités sur la Thermodynamique
I. Objet de la thermodynamique:
La thermodynamique est la science qui étudie les échanges d'énergie sous forme de chaleur et de travail entre les systèmes et leur environnement. Elle permet de comprendre comment l'énergie se transforme et se conserve dans les processus naturels et industriels.
Principaux objectifs de la thermodynamique :
1-Décrire les propriétés des systèmes en équilibre.2-Prédire les changements d'état et les échanges d'énergie.
3- Formuler les lois générales régissant les transformations de l'énergie.
II. Système Thermodynamique (S.T.) et Milieu Extérieur (M.E.):
Système Thermodynamique (S.T.) : Une portion de l'univers choisie pour l'étude thermodynamique. Il peut être de différentes natures :
- Système ouvert : échange de matière et d'énergie avec l'environnement.
- Système fermé : échange d'énergie mais pas de matière.
- Système isolé : pas d'échange de matière ni d'énergie.
Milieu Extérieur (M.E.) : Tout ce qui entoure le système et avec lequel le système peut échanger de l'énergie et/ou de la matière.
III. Variables d'état:
Les variables d'état sont les grandeurs qui définissent l'état d'un système thermodynamique.
III.1. Variables intensives:
Les variables intensives ne dépendent pas de la taille ou de la quantité de matière dans le système. Exemples :
- Température (T)
- Pression (P)
- Densité (ρ)
III.2. Variables extensives:
Les variables extensives dépendent de la taille ou de la quantité de matière dans le système. Exemples :
- Volume (V)
- Masse (m)
- Énergie interne (U)
IV. Équilibre thermodynamique d'un système:
Un système est en équilibre thermodynamique lorsque ses variables d'état sont uniformes dans tout le système et ne changent pas avec le temps. Les conditions d'équilibre incluent :
- Équilibre thermique : température uniforme.
- Équilibre mécanique : pression uniforme.
- Équilibre chimique : potentiel chimique uniforme.
V. Transformations d'un système:
Une transformation thermodynamique est le passage d'un système d'un état d'équilibre à un autre.
V.1. Transformation irréversible:
Une transformation irréversible est une transformation qui ne peut pas revenir à son état initial sans changement dans l'environnement. Caractéristiques :
- Génère de l'entropie.
- Exemples : mélange spontané de gaz, écoulement de fluide.
V.2. Transformation quasi-statique:
Une transformation quasi-statique est une transformation infiniment lente où le système passe par une série d'états d'équilibre. Elle est idéalisée et réversible en théorie.
V.3. Transformation réversible:
Une transformation réversible est une transformation quasi-statique où le système et son environnement peuvent être restaurés à leurs états initiaux sans changement dans l'environnement. Elle ne génère pas d'entropie.
V.4. Autres transformations:
- Isotherme : transformation à température constante.
- Isobare : transformation à pression constante.
- Isochore : transformation à volume constant.
- Adiabatique : transformation sans échange de chaleur avec l'environnement.
VI. Forme différentielle des fonctions d'état:
Les fonctions d'état (comme l'énergie interne, l'enthalpie, etc.) peuvent être exprimées sous forme différentielle. Pour une fonction d'état , la différentielle totale est :
VII. Coefficients thermoélastiques:
Les coefficients thermoélastiques décrivent la réponse d'un matériau aux changements de température, de pression et de volume. Exemples :
- Coefficient de dilatation thermique () : mesure la variation relative du volume avec la température.
- Coefficient de compressibilité isotherme () : mesure la variation relative du volume avec la pression à température constante.
- Capacité calorifique à pression constante () : quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'une unité de masse d'une substance d'un degré à pression constante.
Conclusion
Ce chapitre pose les bases de la thermodynamique en définissant les concepts clés tels que les systèmes thermodynamiques, les variables d'état, et les transformations. Il aborde également les différentes formes de transformations et les coefficients thermoélastiques, qui sont essentiels pour comprendre comment les systèmes réagissent aux changements d'environnement. Ces concepts sont fondamentaux pour l'étude approfondie des lois de la thermodynamique et leurs applications pratiques.