chap-1-introduction-a-la

1
Chap. 1
INTRODUCTION A LA THERMODYNAMIQUE
I. Généralités : ............................................................................................................................ 2
I.1. Système : .......................................................................................................................... 3
I.1.1. Définition : ................................................................................................................. 3
I.1.2. Systèmes particuliers :............................................................................................... 3
I.2. Paramètres ou variables d'état : ...................................................................................... 3
I.3. Equation d’état : ............................................................................................................... 4
I.4. Etat d'équilibre : ............................................................................................................... 4
I.4.1. Définition : ................................................................................................................. 4
I.4.2. Remarques :............................................................................................................... 4
I.5. Pression : .......................................................................................................................... 5
II. Le gaz parfait : ........................................................................................................................ 5
II.1. Définition : ....................................................................................................................... 5
II.2. Commentaires et remarques : ........................................................................................ 5
II.3. Equation d'état du gaz parfait : ....................................................................................... 7
II.3.1. Principe du calcul :.................................................................................................... 7
II.3.2. Pression exercée sur une paroi : .............................................................................. 7
II.4. Energie interne : ............................................................................................................ 10
II.5. Lois de Gay – Lussac, de Charles, et de Mariotte : ........................................................ 10
III. La température absolue – les thermomètres : ................................................................... 10
III.1. Echelles de températures : ........................................................................................... 10
III.2. Echelle de température absolue : ................................................................................ 12
III.3. Quelques thermomètres : ............................................................................................ 12
III.3.1. Quelques types de thermomètres : ...................................................................... 12
III.3.2. Qualités d'un thermomètre : ................................................................................ 13

2
Chap. 1
INTRODUCTION A LA THERMODYNAMIQUE
I. Brève histoire de la thermodynamique :
Science véritablement apparue au début du 19ème siècle.
Née en 1924 avec Sadi Carnot : toutes
les notions fondamentales sur les deux
principes, le cycle fermé bitherme, les
concepts de réversibilité et d'irréversibilité,
la température, la chaleur. Publication d'un
traité, mais pas accepté, parce que pas
compris, ni par les scientifiques, ni par les
ingénieurs.
Essor de la machine à vapeur,
constructions des premières lignes de
chemin de fer.
Emile Clapeyron découvrit le document
de Carnot et le modifia (1834)
William Thomson (Lord Kelvin),
universitaire dès 14 ans, travaille et publie
trois articles sur la théorie de la chaleur.
(1849 – 1852). Il met au point l'échelle
thermodynamique de température.
Rudolf Clausius introduit U, l'énergie
interne, et S, l'entropie. (1864). Il énonce les
deux principes sous la forme :
l'énergie de l'univers est constante.
l'entropie de l'univers tend vers un
maximum.
II. Généralités :

3
II.1. Système :
II.1.1. Définition :
En thermodynamique, le système désigne l'objet à étudier. Ce qui est à l'extérieur, en
dehors du système, est appelé milieu extérieur.
II.1.2. Systèmes particuliers :
Un système est isolé s'il n'échange rien avec le milieu extérieur. Nous distinguerons
plusieurs types d'échange :
L'échange de matière
Choc de deux galaxies
L'échange d'énergie
Locomotive à vapeur "Pacific"
L'échange de volume.
Un système est fermé s'il n'échange pas de matière avec l'extérieur. Dans le cas
contraire, il est ouvert.
II.2. Paramètres ou variables d'état :
Pour décrire un système et son évolution dans le temps, il faut un certain nombre de
paramètres. Ces paramètres sont la position, la vitesse pour des systèmes microscopiques,

4
ou encore la température, le volume, la pression, le champ électrique ou le champ
magnétique, … pour des systèmes macroscopiques.
II.3. Equation d’état :
L’état d’un système à l’équilibre peut être décrit par une fonction mathématique faisant
intervenir un certain nombre de variables d’état. Cette fonction est appelée équation d’état.
II.4. Etat d'équilibre :
II.4.1. Définition :
Un système a atteint un état d'équilibre lorsque toutes les variables d'état qui décrivent
le système sont constantes au cours du temps, et s’il n'y a échange d'aucune sorte (matière,
énergie, charge électrique, …).
II.4.2. Remarques :
Cette définition est, selon les auteurs, à relativiser car elle diffère selon les livres. Ce qui
est important à retenir, c'est qu'il y a équilibre à la fois mécanique, chimique, électrique,
thermodynamique… L'équilibre thermodynamique, cas particulier d'équilibre, requiert
l'absence de transfert d'énergie sous forme de chaleur (équilibre thermique).
Il ne faut pas confondre état d'équilibre et état stationnaire. Pour un système en état
stationnaire, les variables ne dépendent pas du temps. Par contre les échanges d'énergie
sont permanents. C'est le cas par exemple d'une lampe à incandescence, qui reçoit de
l'énergie électrique et la retransmet sous forme de lumière.

5
II.5. Pression :
La pression est directement liée au contact des particules
sur une paroi. Son origine est donc mécanique. Soit un
élément de surface S de cette paroi, soumis à une force
F
.
Cette force peut être décomposée en deux : une composante
parallèle à la surface et une autre perpendiculaire (Figure ci-
dessous). Seule la composante perpendiculaire a une action
sur la paroi. La pression exercée sur la paroi est définie par
SFP 
. L’unité dans le système international est le Pa : 1
Pa = 1N/m2. Les dérivés du Pa sont le bar (1 bar = 105 Pa), le
Torr (1 Torr = 0,75 mbar), et le mm de mercure.
F
S
III. Le gaz parfait :
III.1. Définition :
Un gaz parfait monoatomique est constitué d'atomes et possède les propriétés
suivantes :
 Les atomes sont supposés ponctuels, identiques et sans interaction entre eux.
 Ils ne subissent de chocs que sur les parois du récipient qui les contient.
 La distribution (ou répartition) des vitesses des atomes du gaz est stationnaire,
homogène et isotrope.
III.2. Commentaires et remarques :
Les conditions pour qu'un gaz soit parfait sont suffisamment contraignantes pour
comprendre qu'un gaz n'est en réalité jamais parfait. Par contre, un gaz réel peut
s'approcher du gaz parfait.
Il faut d'abord exclure les molécules diatomiques (N2, O2, ...) et polyatomiques. Les
atomes non identiques sont aussi à exclure. Prenons par exemple deux atomes H et O. S'ils
se rencontrent, ils auront tendance à s'apparier. Mais des atomes identiques tels que N, O,
auront aussi tendance à s'associer pour former des molécules. Au final, seuls les gaz rares
(He, Ne, Ar, Kr, Xe) peuvent être assimilés à des gaz parfaits.