Introduction

La thermodynamique est une discipline transversale de la physique, qui traite des transformations de l'énergie sous toutes ses formes.

Elle est fondée sur deux principes fondamentaux :

• le premier principe énonce de façon très générale la conservation de l'énergie : l'énergie peut être stockée par un système sous forme d'énergie interne ou d'énergie cinétique, et peut être échangée avec l'extérieur sous la forme de travail ou de chaleur ;

• le second principe de la thermodynamique traite de l'évolution des systèmes, en introduit la notion essentielle d'entropie.

La conjonction des deux principes permet de définir de façon très rigoureuse des conditions d'équilibre d'un système, c'est-à-dire l'état vers lequel il évoluera en fonction des conditions extérieures qui lui sont imposées. La thermodynamique de l'équilibre est une discipline essentielle pour l'ingénieur, et a des applications dans tous les domaines industriels : toute installation industrielle produit ou consomme de l'énergie, et est le siège de phénomènes physico-chimiques qui évoluent vers un état d'équilibre qui peut être prédit par la thermodynamique.

Définitions générales

Système

Tous les concepts de la thermodynamique s'appliquent à des systèmes matériels. Un système est un ensemble d'objets, défini par une enveloppe géométrique macroscopique (déformable ou non).

Un système est dit fermé s'il n'échange pas de matière avec l'extérieur.

Un système est ouvert s'il échange de la matière avec l'extérieur.

Variables d'état

L'état d'un système peut être décrit par un ensemble de variables d'état.

• Certaines de ces variables sont extensives : elles ne peuvent être mesurées que globalement sur le système, et leur valeur est proportionnelle à la quantité de matière contenue dans le système (masse, nombres de moles, volume) ;

• d'autres variables sont intensives : elles peuvent être mesurées localement (en chaque point du système) et elles sont indépendantes de la taille du système (température, pression, composition chimique, masse volumique...).

La variable d'état température est liée à l'énergie cinétique microscopique des particules constituant le système.

La variable d'état pression d'un fluide mesure la force par unité de surface exercée par le système sur une paroi.

Transformation

Un système subit une transformation lorsqu'il passe d'un état à un autre. Une transformation peut être décrite par une trajectoire dans l'espace des variables d'état, et par la vitesse à laquelle elle est décrite.

Échanges d'énergie

Lors d'une transformation, un système peut échanger de l'énergie avec l'extérieur :

• énergie mécanique, par le travail des forces extérieures au système (forces appliquées par des éléments extérieurs au système sur des éléments du système.) Le travail de la pression extérieure (supposée homogène) sur les parois du système s'exprime par :   ;

• les échanges de chaleur avec l'extérieur, qui peuvent se faire par conduction, convection ou rayonnement. On compte positivement la chaleur reçue par le système.

Un système qui n'échange pas d'énergie avec l'extérieur est isolé.