CHAPITRE I Concepts et définitions

CHAPITRE I
Concepts et définitions
1 - Définition
La Thermodynamique est la science qui traite de la chaleur et du travail ainsi
que des propriétés des substances qui ont un rapport avec la chaleur et le travail.
Exemples
● Chauffage de l’eau de 25°C à 40°C;
● Fusion de la glace à la température ambiante;
● Détente ou compression d’un gaz;
● Machine à vapeur;
● etc …
2 - Système et milieu extérieur
On appelle système, une région limitée de l’espace comprenant un ou plusieurs
corps qu’on désire étudier.
Le milieu extérieur est l’ensemble des corps qui ne font pas partie du système.
Un système fermé est un système qui peut échanger de la chaleur et du travail
mais pas de matière avec le milieu extérieur. Sa masse est constante dans le
temps.

Un système ouvert est un système qui peut échanger de la matière, en plus de la
chaleur et du travail, avec le milieu extérieur. Sa masse peut varier dans le
temps.
Un système isolé est un système qui n’échange ni matière, ni chaleur, ni travail
avec le milieu extérieur.
3 - Equilibre Thermodynamique
Un système est en équilibre thermodynamique si ses variables thermodyna-
miques (P, V, T …) sont constantes dans le temps et s’il n’y a aucun échange
entre ce système et son milieu extérieur ainsi qu’entre les différentes parties du
système.
L’équilibre thermodynamique comprend à la fois l’équilibre mécanique,
l’équilibre thermique et l’équilibre chimique.

Un système est en équilibre mécanique quand il n’existe aucune force non
compensée, aussi bien à l’intérieur du système qu’entre le système et le milieu
extérieur.
Un système est en équilibre thermique quand la température est la même en tous
ses points et qu’elle est aussi la même que celle du milieu extérieur.
Un système est en équilibre chimique quand il n’est pas le siège d’une réaction
chimique provocant une modification de sa structure interne.
Remarque
Les systèmes étudiés sont supposés au repos, c’est-à-dire, pas de mouvement
d’ensemble, ni de translation, ni de rotation.
L’énergie potentielle de pesanteur du système est supposée constante.
4 - Equation d’état d’un système en équilibre thermodynamique
Un système, dans une situation d’équilibre thermodynamique, est dit se trouver
dans un état d’équilibre ou état tout court. Un système possède plusieurs états
qui représentent les différentes situations dans lesquelles il peut se trouver.
L’état d’un système en équilibre thermodynamique peut être décrit par un petit
nombre de grandeurs macroscopiques, appelées variables d’état ou paramètres
d’état.
Ces grandeurs sont liées entre elles par une relation appelée équation d’état. Un
corps solide, liquide ou gazeux peut être décrit par trois paramètres d’état : son
volume V, sa pression P et sa température T. Son équation d’état est donc de la
forme :
f( P, V, T ) = 0
A titre d’exemple, un gaz dit parfait a pour équation d’état :
PV - nRT = 0.
5 - Variable intensive et variable extensive
Une variable intensive est une grandeur indépendante de la masse du système.
La pression, la température, la masse volumique sont des variables intensives.

Une variable extensive est une grandeur qui dépend de la masse du système.
Une variable extensive varie dans les mêmes proportions que la masse du
système. Si la masse m du système devient m, où est un nombre positif, une
variable extensive est multipliée par alors qu’une variable intensive demeure
inchangée.
Le volume, la masse, le nombre de moles, la chaleur, l’énergie sont des
variables extensives.
Remarque
Une variable thermodynamique définie par le rapport de deux variables extensi-
ves est une variable intensive. Par exemple, la masse volumique, = m/V, est
une variable intensive alors que m et V sont des variables extensives.
6 - Règle des phases
Le nombre de variables indépendantes nécessaires pour décrire un système
complexe quelconque est donné par la «règle de Gibbs " ou «règle des phases " :
v = c + 2 -
où v représente le nombre de variables indépendantes ou variance, c le nombre
de constituants ou espèces chimiques distinctes qui forment le système et le
nombre de phases présentes. On choisit, en général, parmi ces variables
indépendantes, la pression, la température et les concentrations des différents
constituants dans les diverses phases.
Exemple
Mélange eau liquide + glace en équilibre thermodynamique à la température de
0°C et à la pression atmosphérique.
 un seul constituant (eau) : c = 1
 deux phases (solide et liquide) :  = 2
 variance  = 1 + 2 - 2 = 1.
Le mélange eau liquide + glace est un système monovariant : une seule variable
indépendante. En général, on prend pour variable indépendante la température.

7 - Transformation d’un système
On appelle transformation d’un système, le passage du système d’un état
d’équilibre thermodynamique, dit état initial, à un autre état d’équilibre
thermodynamique, dit état final.
7.1. Transformation réversible
Une transformation réversible est une transformation constituée par une suite
continue d’états d’équilibre thermodynamique.
Au cours d’une transformation réversible, le système est en équilibre thermody-
namique à chaque instant. Une transformation réversible peut être effectuée en
sens inverse en repassant par les mêmes états d’équilibre.
Dans la pratique, une transformation peut être considérée comme réversible si :
 Elle est effectuée très lentement.
 Il n’y a pas de forces dissipatives (frottement, hystérésis, etc…), aussi bien à
l’intérieur du système, qu’entre le système et le milieu extérieur.
Exemple : compression quasi
statique d’un gaz.
7.2. Transformation irréversible
Une transformation irréversible est une transformation durant laquelle le
système est hors équilibre lors de son passage de l’état initial à l’état final.
Dans la pratique, une transformation irréversible est une transformation qui :
 soit s’effectue rapidement.
 soit s’effectue en présence des forces de frottement.
 soit s’effectue rapidement et en présence de frottements.