Chapitre 1 : Introduction à la Thermodynamique

 

Chapitre 1 : Introduction à la Thermodynamique

Définitions de base

La thermodynamique est la branche de la physique qui traite des échanges d'énergie, notamment sous forme de chaleur et de travail, entre les systèmes et leur environnement. Elle s'intéresse aux lois qui régissent ces échanges et aux transformations que subissent les systèmes thermodynamiques.

Quelques définitions clés :

1. Système Thermodynamique : Partie de l'univers choisie pour être étudiée. Tout ce qui n'appartient  pas au système est appelé "environnement" ou "milieu extérieur".

2. Énergie : Capacité d'un système à effectuer un travail ou à transférer de la chaleur. Les principales formes d'énergie incluent l'énergie cinétique, potentielle, interne, thermique, etc.

3. Travail (W) : Énergie transférée par des forces mécaniques.

4. Chaleur (Q) : Énergie transférée en raison d'une différence de température entre le système et son environnement.

5. État d'un Système : Condition d'un système à un moment donné, décrite par un ensemble de variables d'état comme la pression (P), le volume (V), la température (T), etc.

Systèmes Thermodynamiques

Un système thermodynamique peut être classé en fonction de ses interactions avec l'environnement :

1. Système Isolé : Aucun échange de matière ou d'énergie avec l'environnement. Exemple : Un thermos parfaitement isolé.

2. Système Fermé : Échange d'énergie, mais pas de matière avec l'environnement. Exemple : Un ballon de gaz hermétiquement fermé mais qui peut être chauffé ou refroidi.

3. Système Ouvert : Échange de matière et d'énergie avec l'environnement. Exemple : Un moteur de voiture où le carburant entre et les gaz d'échappement sortent, tout en échangeant de l'énergie avec l'environnement.

États et Processus

1. État Thermodynamique : Un état thermodynamique d'un système est entièrement décrit par des variables d'état comme la pression (P), le volume (V), et la température (T). Lorsque ces variables changent, le système passe d'un état à un autre.

2. Processus Thermodynamique : Transformation d'un système d'un état initial à un état final. Les processus peuvent être classifiés selon la manière dont les variables d'état changent :

  • Processus Isotherme : Température constante (ΔT = 0).
  • Processus Isobare : Pression constante (ΔP = 0).
  • Processus Isochore (ou isovolumique) : Volume constant (ΔV = 0).
  • Processus Adiabatique : Aucun transfert de chaleur (Q = 0).

Exemples et Explications

1. Système Isolé : Imaginez un thermos parfaitement isolé contenant une boisson chaude. Il n'y a aucun échange de chaleur avec l'environnement, donc la température de la boisson reste constante sur une longue période, sauf pour les pertes minimes dues aux imperfections réelles.

2. Système Fermé : Prenons un cylindre avec un piston contenant du gaz. Si on chauffe le cylindre, le gaz se dilate et pousse le piston, augmentant le volume mais sans que le gaz puisse s'échapper.

3. Système Ouvert : Un moteur à combustion interne reçoit du carburant (matière) et libère des gaz d'échappement (matière), tout en produisant du travail mécanique et de la chaleur.

États et Variables d'État

1. Pression (P) : Force exercée par unité de surface par les molécules d'un fluide en mouvement.

2. Volume (V) : Espace occupé par le système.

3. Température (T) : Mesure de l'énergie cinétique moyenne des molécules dans le système.

4. Énergie Interne (U) : Énergie totale contenue dans le système, incluant l'énergie cinétique et potentielle des molécules.

Conclusion

Cette introduction à la thermodynamique pose les bases pour comprendre les échanges d'énergie et les transformations subies par les systèmes thermodynamiques. Les concepts de systèmes, d'états, de processus, et les définitions de base sont essentiels pour approfondir les lois fondamentales de la thermodynamique qui seront abordées dans les chapitres suivants.