Premières notions

Chapitre I : Premières notions
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PREMIERES NOTIONS
Etymologiquement la Thermodynamique est la science des forces, des puissances (au sens commun
de ces termes) liées à la chaleur. C’est la partie de la Physique où interviennent particulièrement les
notions de température et de chaleur.
A. Quelques situations thermodynamiques
Le but de ce paragraphe est de familiariser le lecteur avec quelques sujets de Thermodynamique.
Les notions thermodynamiques seront reprises dans les paragraphes ou chapitres suivants.
1. Des situations parmi les plus simples
Quand on utilise une pompe { vélo, on comprime du gaz pour l’envoyer dans la chambre à air. On
constate que cette compression s’obtient en diminuant le volume et qu’elle s’accompagne d’une
augmentation de température. (Voir l’annexe pour le schéma et le fonctionnement d’une pompe
à vélo.)
Un autre exemple, apparenté au précédent. On laisse s’échapper le gaz d’une bouteille de
propane ou de butane comprimé (Voir l’annexe pour le schéma et le fonctionnement du
détendeur.). Le gaz se détend- sa pression diminue- son volume augmente et il se refroidit (on
peut parfois voir du givre se former sur la bouteille).
Il s’agit dans chaque cas de ce qu’on appelle une transformation thermodynamique d’une masse
de gaz. Dans le premier cas le système thermodynamique subissant la transformation est de l’air,
dans le second du propane ou du butane.
La pompe à vélo, le détendeur de la bouteille sont des systèmes mécaniques permettant de
réaliser des transformations thermodynamiques. Ils peuvent aussi être étudiés comme des
systèmes thermodynamiques dont la température varie au cours des expériences.
Comme en Mécanique, c’est l’observateur qui définit le système thermodynamique qu’il veut
étudier. Dans les exemples précédents, il peut choisir le gaz ou le gaz et la pompe ou la pompe
etc. C’est le but de son étude et des critères de simplicité qui guident son choix.
2. Des situations moins simples
Quand on chauffe de l’eau dans une casserole, on constate d’abord que sa température
augmente. Si on continue l’eau se met { bouillir et se vaporise.
Le système apparemment le plus simple est la masse d’eau. Mais on peut aussi choisir l’eau et la
casserole, ou l’eau, la casserole, le brûleur et la portion d’atmosphère chauffée au cours de
l’expérience etc.
Quand on sort un glaçon du congélateur il se réchauffe et se liquéfie. Quand on met de l’eau au
congélateur, elle se refroidit et gèle.
Il s’agit de transformations thermodynamiques mettant en jeu deux phénomènes : d’une part
l’échauffement ou le refroidissement et d’autre part le changement d’état- vaporisation (passage
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de l’état liquide { l’état gazeux), fusion (passage de l’état solide { l’état liquide) ou solidification
(passage de l’état liquide { l’état solide) dans ces quelques exemples.
3. Quelques situations encore moins simples
Les moteurs à explosion qui équipent encore de nos jours les voitures sont des systèmes
thermodynamiques. La combustion de l’essence fournit de la chaleur que le moteur transforme
partiellement en travail- ce qui permet le mouvement de la voiture. (Partiellement car une partie
de la chaleur est évacuée par le système de refroidissement.)
Un réfrigérateur utilise l’énergie électrique qui lui est fournie pour faire passer de la chaleur de
l’intérieur du réfrigérateur vers l’extérieur (au niveau du radiateur situé { l’arrière). Cette
machine permet de faire passer de la chaleur d’un corps froid (l’intérieur du réfrigérateur) { un
corps chaud (le milieu extérieur) alors que spontanément la chaleur passe toujours du corps
chaud au corps froid (le thé réchauffe le nuage de lait …).
Une pompe à chaleur sert à climatiser une pièce, un appartement, un bâtiment. En été elle
fonctionne comme un réfrigérateur et en hiver elle fait passer de la chaleur de l’extérieur (plus
froid) vers l’intérieur (plus chaud). Dans les deux cas il faut fournir de l’énergie pour faire passer
de la chaleur du corps froid au corps chaud.
Nous étudierons les compressions et les détentes, les échauffements et les refroidissements, les
changements d’état et ces trois exemples de machines thermiques.
4. Des situations de moins en moins simples
Un fil de caoutchouc se contracte lorsqu’on le chauffe. Une pile qui débite un courant est le siège
de réactions chimiques. Ce sont des systèmes thermodynamiques.
Au cours d’une réaction chimique, des corps chimiques se transforment en produisant ou en
recevant de la chaleur. Un milieu chimique est un système thermodynamique.
Une cellule, un être vivant reçoivent des molécules (dioxygène, dioxyde de carbone par
exemple), des ions (potassium, sodium …), de l’eau. Et ils rejettent des gaz, des fluides … Ce sont
des systèmes thermodynamiques encore plus complexes.
Enfin les systèmes astronomiques sont aussi des systèmes thermodynamiques : la Terre, les
planètes, le Soleil, les étoiles, l’Univers …
Tous ces exemples permettent de découvrir l’étendue des sujets de la Thermodynamique. (Les
derniers1 ne seront pas étudiés, ils illustrent seulement la grande variété et la complexité éventuelle
des applications.)
Nous voulons maintenant avancer dans notre étude ; nous voulons transformer les observations de
la vie courante en expériences de Thermodynamique. Et pour cela revenons maintenant sur
l’exemple du glaçon, afin d’approfondir la notion d’état en Thermodynamique.
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Insistons sur le fait que nous n’étudierons pas les équilibres chimiques.
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B. La notion d’état en Thermodynamique
1. L’exemple du glaçon
Sortons un glaçon d’un congélateur et plaçons-le dans un verre. Pour transformer ce geste
habituel en expérience scientifique, nous devons préciser ce que nous voulons observer et
mesurer. Quelle est la masse du glaçon, sa température (qui serait différente s’il sortait d’un
réfrigérateur), la température du verre (égale à celle de la cuisine ou non), sa masse ? Le verre
est-il vide ou rempli de jus de fruit ? Quelle masse de jus de fruit ? Quelle est la température du
jus de fruit (égale à celle de la cuisine, à celle du verre ou non) ? Lorsque le glaçon a fondu, quelle
est la température du liquide, du verre, de la cuisine ? Quel temps le glaçon a-t-il mis pour
fondre ? Que se passe-t-il si nous attendons plus longtemps ?
Toutes ces questions tendent à préciser l’état du système thermodynamique et de son
environnement { l’instant où débute la transformation thermodynamique, { décrire cette
transformation puis à préciser l’état du système et de son environnement à la fin de cette
transformation.
Commençons par le début de cette expérience. Lorsque le glaçon est depuis assez longtemps
dans le congélateur son état n’évolue pas, l’eau est gelée, sa température est constante. C’est un
état d’équilibre. D’une façon générale :
Un système thermodynamique, isolé depuis suffisamment longtemps, est dans un état d’équilibre
thermodynamique. Nous allons présenter les termes système thermodynamique, isolé, état et
équilibre thermodynamique. Et nous affinerons la signification de suffisamment longtemps.
2. Systèmes thermodynamiques
Nous avons déjà rencontré ce terme que nous allons seulement préciser.
Comme en Mécanique, le choix d’un système thermodynamique divise l’Univers en deux parties
distinctes, le système choisi et le milieu extérieur.
On limite le milieu extérieur { la portion de l’Univers (hors système) qui est modifiée par la
transformation subie par le système.
Comme en Mécanique, c’est l’observateur qui définit le système thermodynamique qu’il veut
étudier. C’est le but de son étude ainsi que des critères de simplicité qui guident son choix.
La Thermodynamique étudie les évolutions des systèmes thermodynamiques (d’un état vers un
autre) lorsqu’ils sont soumis à des actions du milieu extérieur. Ces actions se traduisent par des
échanges thermodynamiques.
3. Echanges thermodynamiques
On classe les échanges thermodynamiques en deux catégories, les échanges d’énergie et les
échanges de matière. Et les échanges d’énergie peuvent se faire sous forme thermique ou sous
forme de travail.
a) Échange d’énergie sous forme thermique
Un système thermodynamique (air, butane, propane, eau liquide, glaçon …) peut être chauffé ou
refroidi. Dans ces deux cas il y a échange d’énergie entre le système et le milieu extérieur, et cet
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échange se fait sous forme thermique. (On dit aussi sous forme de chaleur. Mais attention, dans le
langage courant, le mot chaleur possède plusieurs sens. Quand on s’exclame « Oh ! Quelle
chaleur », on fait plutôt référence à une température élevée qu’{ un échange d’énergie sous
forme de chaleur mais c’est en fait ambigu. Nous y reviendrons.)
Lorsqu’il s’agit d’un solide, l’échange se fait directement entre le solide et les substances en
contact avec lui. Le glaçon échange de l’énergie avec l’air environnant, le jus de fruit et le verre.
Dans le cas d’un gaz ou d’un liquide cet échange d’énergie se fait à travers la paroi du récipient
qui les contient. L’air { l’intérieur de la pompe à vélo échange de l’énergie sous forme thermique
avec l’atmosphère { travers la paroi de la pompe.
Cette paroi est nommée enceinte en Thermodynamique. On distingue les enceintes diathermanes
qui laissent passer l’énergie sous forme thermique de celles qui sont adiabatiques c’est { dire ne
la laissent pas passer. Une plaque de cuivre est diathermane (fond de casserole), une plaque de
polystyrène est adiabatique (isolation thermique).
b) Echange d’énergie sous forme de travail
Un système thermodynamique peut être comprimé ou détendu. Par exemple considérons un gaz
dans un corps de pompe fermé par un piston. Lorsqu’on actionne le piston il y a échange
d’énergie entre le gaz et le milieu extérieur, et cet échange se fait sous forme de travail.
Considérons le cas où vous poussez sur le piston. Ce faisant vous exercez une force dont vous
déplacez le point d’application. Donc vous produisez un travail mécanique. Le gaz reçoit alors de
l’énergie sous forme de travail.
On peut aussi comprimer ou étirer un solide ou un liquide. Une suspension de lustre est étirée,
tendue ; un support de lampe est comprimé.
Les exemples cités concernent le travail des forces de pression. Il peut s’agir aussi du travail des
forces électriques, de pesanteur, élastiques …
c) Échange de matière
Si l’enceinte contenant un gaz ou un liquide n’est pas étanche, des molécules peuvent sortir du
récipient ou d’autres y entrer. Il y a alors échange de matière entre le système et le milieu
extérieur.
Au cours d’une réaction chimique on peut vouloir introduire des réactifs et extraire des produits.
Il s’agit encore d’échanges de matière entre le système et le milieu extérieur.
Tout échange de matière s’accompagne d’un échange d’énergie (en particulier l’énergie
cinétique des molécules).
Cette classification des échanges en entraîne une autre, celle des systèmes. Selon qu’ils peuvent
ou non réaliser chaque type d’échange, ils sont qualifiés de fermés ou d’isolés.
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4. Système fermé, système isolé
a) Système fermé, système ouvert
Un système est dit fermé s’il n’échange pas de matière avec le milieu extérieur. Il est dit ouvert
dans le cas contraire.
Une enceinte étanche contient un système fermé. Au contraire, au cours de la distillation du vin,
des vapeurs d’alcool s’échappent ; le vin est alors un système ouvert. De même l’eau de mer dans
un marais salant est un système ouvert, de l’eau pure s’évapore lentement.
b) Système thermiquement isolé ou non
Un système est dit thermiquement isolé s’il n’échange pas d’énergie sous forme thermique avec
le milieu extérieur.
Du café chaud contenu dans une bouteille thermos de bonne qualité constitue un système
thermiquement isolé, du moins pendant un certain temps. Le même dans une tasse n’est pas
thermiquement isolé.
c) Système mécaniquement isolé ou non
Un système est dit mécaniquement isolé s’il n’échange pas d’énergie sous forme de travail avec
le milieu extérieur.
Lorsque le piston de la pompe { vélo est immobile, l’air contenu dans le corps de pompe forme
un système mécaniquement isolé. Lorsque le piston bouge, l’air n’est pas mécaniquement isolé.
d) Système isolé ou non
Un système est dit isolé s’il n’échange pas d’énergie avec le milieu extérieur. Il est dit non isolé
dans le cas contraire.
Ce système est donc { la fois thermiquement et mécaniquement isolé. De l’air dans une pompe
entourée de laine de verre et dont le piston est immobile constitue un système isolé.
Un système isolé est nécessairement fermé car tout échange de matière s’accompagnerait d’un
échange d’énergie. Mais un système fermé n’est pas nécessairement isolé : il n’échange pas de
matière avec l’extérieur mais peut échanger de l’énergie.
e) Tableau récapitulatif
Echange
Possible
Impossible
Matière
Ouvert
Fermé
Travail
Mécaniquement non isolé
Mécaniquement isolé
Chaleur
Thermiquement non isolé
Thermiquement isolé
Travail et chaleur
Non isolé
Isolé
A présent nous avons introduit la notion de système thermodynamique isolé. Nous passons à la
discussion de l’expression « suffisamment longtemps ».
5. Temps de relaxation
A partir du moment où un système est isolé du milieu extérieur, il évolue spontanément vers un
état d’équilibre thermodynamique. Et ceci se fait plus ou moins rapidement.
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On qualifie cette évolution de spontanée car elle se fait sans intervention du milieu extérieur.
Dès que le système est isolé, les échanges avec l’extérieur cessent. L’évolution du système n’a
donc plus de cause extérieure. Pendant un certain temps, appelé temps de relaxation, des
échanges d’énergie et de matière ont lieu entre les différentes parties du système. Ces échanges
cessent lorsque l’équilibre thermodynamique est atteint et réciproquement.
Lorsqu’on verse du café chaud dans une bouteille thermos de bonne qualité, il faut attendre
environ une journée pour que le café soit froid, c'est-à-dire à la température ambiante.
Lorsqu’on le verse dans une tasse, un quart d’heure suffit. Supposons que les scènes
précédentes, thermos ou tasse de café laissées à elles-mêmes, se déroulent dans une cuisine ; Le
système formé par la bouteille thermos ou la tasse, le café et la cuisine est initialement isolé (les
échanges thermiques avec le reste du bâtiment sont négligeables) ; Il quitte un état de
déséquilibre et évolue vers un état d’équilibre thermodynamique en un temps plus ou moins
long- le temps de relaxation.
Lorsqu’on écarte un pendule de sa position d’équilibre, il ne faut que quelques secondes pour
qu’il revienne { sa position d’équilibre. Lorsqu’on allonge un fil élastique, il prend sa nouvelle
longueur presque instantanément.
En général, lorsque des échanges thermiques sont en jeu les temps de relaxation sont relativement
longs tandis que pour les échanges de travail, les temps de relaxation sont beaucoup plus courts.
Il nous reste enfin { préciser la description de l’état d’un système thermodynamique en utilisant
les variables d’état.
6. Variables d’état à l’équilibre thermodynamique
L’exemple du glaçon mis dans un verre nous a permis de voir que l’état d’un système
thermodynamique est décrit par une série de nombres appelés variables d’état. L’état du glaçon
est décrit par sa masse, sa température (ainsi que sa pression qui influence sa température de
fusion). L’état d’un fil élastique peut être décrit par exemple par sa masse, son volume, sa
pression, sa longueur, sa tension et sa température. L’état d’une masse de gaz pur peut être
décrit par exemple par sa masse, son volume, sa pression et sa température. (D’autres listes sont
possibles faisant intervenir des grandeurs énergétiques que nous n’avons pas encore
rencontrées.)
Quand on considère une masse de gaz pur en équilibre thermodynamique, alors :
- la masse est indépendante du temps (sinon le gaz formerait un système ni fermé, ni isolé, il y
aurait échange de matière avec le milieu extérieur) ;
- le volume est indépendant du temps (sinon le gaz ne serait pas isolé, il y aurait échange
d’énergie sous forme de travail avec le milieu extérieur) ;
- la température est indépendante du temps (sinon des transferts thermiques au sein du gaz
auraient encore lieu, l’équilibre ne serait pas atteint) ;
- la pression est indépendante du temps (sinon il y aurait encore des échanges d’énergie et de
matière au sein du gaz, l’équilibre ne serait pas atteint).
Un système thermodynamique isolé est en équilibre si ses variables d’état sont indépendantes
du temps. Un système non isolé dont les variables d’état sont indépendantes du temps est dans
un état stationnaire.
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7. Etat stationnaire
L’équilibre thermodynamique entraîne que les variables d’état sont indépendantes du temps.
Mais l’inverse n’est pas vrai.
Par exemple, considérons une brique dans le mur d’une maison chauffée. Sa face externe est à la
température extérieure 5°C et ce de façon constante. Sa face interne est à la température de la
pièce 20°C et ce de façon constante. Dans la brique les températures s’échelonnent de 5 { 20 °C,
mais en chaque point la température est constante quand le régime stationnaire est atteint.
(C'est-à-dire pas juste après avoir allumé le chauffage. A ce moment, le système est dans un état
de déséquilibre thermodynamique qui n’est pas stationnaire ; Les variables d’état varient dans le
temps et dans l’espace et elles peuvent le faire de bien des façons.)
L’état de la brique est stationnaire mais non d’équilibre. Il y a sans cesse transfert thermique, de
l’intérieur vers l’extérieur { travers la brique et de la chaudière vers la pièce grâce au radiateur.
Il peut aussi exister un transfert de matière stationnaire. Il s’agit par exemple de l’évaporation de
l’eau d’une cuve. Les molécules d’eau quittent la cuve et se répartissent dans l’air. La
concentration en eau diminue quand on s’éloigne de la cuve. Mais en régime stationnaire la
concentration en chaque point est indépendante du temps. Ce phénomène fera l’objet du
chapitre « Diffusion de particules ».
Nous venons d’introduire dans ce chapitre les premières notions de Thermodynamique : système,
état, transformation, échanges thermodynamiques (énergie et matière), système isolé ou fermé,
équilibre thermodynamique et variables d’état.
Nous verrons de nombreux exemples de systèmes et de leurs transformations. Nous approfondirons
leur description par les variables d’état dans le chapitre suivant et ferons une première étude de
deux d’entre elles, la température et la pression.