CHAPITRE 1 : Généralités sur la Thermodynamique
Plan
1. Physique des milieux continus et Physique des particules
2. Systèmes. Variables d’état. Etat d’équilibre.
Equations d’état.
3. Transformations d’un système
1. Physique des milieux continus et Physique des particules
La Physique ne s’est pas faite en un jour, elle est le résultat
de tâtonnements successifs, un cours de Physique n’est jamais linéaire.
Il arrive souvent que l’on soit amené à faire appel au sens commun
pour présenter une notion, un modèle qui, de fait, nous sert à
définir, à qualifier, à quantifier le phénomène
…donc à le comprendre.
En ce début de 21ème siècle, la preuve n'est
plus à faire que la matière est discontinue c'est à dire
constituée de particules élémentaires "juxtaposées"
appelées atomes, molécules, ions, noyaux, électrons, protons,
neutrons, quarks, …
Pourtant à l’échelle macroscopique courante, disons à l'échelle
d'observations faites avec nos yeux, voire avec quelques loupes ou microscopes,
la matière nous parait continue au moins par morceaux.
Ces deux façons d’appréhender la matière sont complémentaires,
se nourrissent l’une de l’autre tout au long des découvertes des lois
des Sciences Physiques et de leur enseignement.
Macroscopiquement aussi petit soit-il, un échantillon
de matière, en Physique des milieux continus, contient un grand nombre
de particules (nous savons que le nombre de particules contenues dans une mole
de matière est égale au nombre d'Avogadro soit 
; ainsi 
d’eau
liquide renferme 1023 molécules).
L’hypothèse de milieu continu considère que la matière
occupe continûment tout le volume. Ainsi soit un échantillon de
volume dV contenant des particules de masse totale dm, en Physique
des milieux continus, on définit la masse volumique 
qui a donc un caractère de valeur moyenne.
2. Systèmes. Variables d’état. Etat d’équilibre. Equations d’état.
Nous appelons système un ensemble constitué
d’un grand nombre de particules. Tout système sera en interaction avec
d’autres systèmes de l’Univers qui constituent le milieu extérieur.
L’interaction se traduit par des échanges de matière et des
échanges d’énergie sous forme de travail et de chaleur.
Système et milieu extérieur peuvent ne pas présenter de
différences de nature, mais l’observateur les différencie par
le rôle qu’il leur fait jouer, les frontières les séparant
pouvant être réelles ou fictives.
Un système est fermé s’il ne peut échanger de la
matière avec l’extérieur, dans le cas inverse il est ouvert.
Un système fermé est isolé s’il n’échange
aucune énergie avec l’extérieur, il n’est pas isolé s’il
échange de l’énergie.
En Physique, décrire l’état d’un système, c'est définir
le nombre suffisant de paramètres mesurables pour en rendre compte.
Ces paramètres sont appelés variables d’état.
La définition de ces variables d’état est le
résultat d'expériences, de tâtonnements qui font l'histoire
des sciences et l'état de la science a un moment donné.
La température, la pression, le volume et la quantité
de matière sont les variables d’état les plus couramment nécessaires.
Ce ne sont pas les seules mais, sauf cas très exceptionnel, nous n’envisagerons
que ces seules variables d’état dans le cadre de ce cours où on
s’intéresse principalement aux fluides et le plus souvent aux gaz.
Un système est en état d’équilibre si les variables d’état du système sont constantes (dans le temps) et uniformes dans toute partie homogène du système.
Pour mieux comprendre : Soit un mur donnant sur l'extérieur d’une maison chauffée. Sa température varie d’un endroit à un autre du mur, de la température intérieure à celle extérieure. Le système " mur " est en état de déséquilibre même si, en chaque endroit, la température est constante. Dans ce dernier cas, on dira que le mur est en régime permanent. Si la température évoluait au cours du temps, le mur serait en régime transitoire.
Dans un système en état d’équilibre, on appelle équation d’état toute relation entre les variables d’état. Ceci veut dire que les variables définies pour rendre compte de l'état du système ne sont pas indépendantes puisque reliées par une équation. On ne saurait écrire des équations d'état pour un système en déséquilibre puisque, dans ce cas là, les variables d'état ne sont pas uniformes (c'est à dire ayant une valeur unique) sur tout le système.
En Physique des milieux continus, la Thermodynamique est définie comme la science qui étudie les phénomènes où intervient la température. Cette discipline est née, vers les années 1820, de la nécessité de connaître, sur les premières machines thermiques (machines à vapeur) construites, la relation entre les phénomènes thermiques et les phénomènes dynamiques, d’où son nom. Ces nouvelles connaissances ont permis l'avènement de l'ère industrielle.
3. Transformations d’un système
Dans une transformation il y a variation d’au moins une variable d’état du système qui évolue d’un état initial à un état final. Sauf pour les systèmes fermés, isolés où il y a transformation spontanée du système vers un état d’équilibre si celui-ci n’était pas en état d’équilibre, la transformation se produit par l’action du milieu extérieur.
Pour que la transformation puisse être définie convenablement, il conviendra que les états initial et final soient des états d’équilibre.
Si état initial et état final sont identiques, la transformation est appelée cycle.
Les différents types de transformations
Transformations quasistatiques
Si dans une transformation, le système reste, à chaque instant, très voisin d’un état d ’équilibre, la transformation est dite quasistatique. A chaque instant, en première approximation, les variables d’état restent définies.
Transformations réversibles
Une transformation est dite réversible si le système évolue en passant par une suite continue d’états d’équilibre et s’il existe une transformation permettant de ramener le système et le milieu extérieur, à chaque instant, à l’équilibre précédent. De fait, cette transformation ramène système et milieu extérieur dans leurs états initiaux.
Il y a contradiction manifeste entre état d’équilibre et évolution : une transformation réversible n’est pas réalisable en toute rigueur. On peut, au mieux, s’en approcher par une transformation quasistatique avec possibilité de revenir à l’état précédent.
Transformations irréversibles
Ce sont toutes celles qui ne remplissent pas les conditions de la réversibilité.
Remarque
A chaque instant d’une transformation réversible, voire quasistatique, on peut écrire les équations d’état du système. On trouve, en plus, une relation entre les variables d’état liées à la transformation. Il ne faut pas donner un statut d’équation d’état à cette dernière relation.