Cours de Thermodynamique 1 : Concepts essentiels, résolutions d'exercices et corrections d'examens
La thermodynamique est une discipline qui se concentre sur l'étude des propriétés des systèmes et de leur évolution en fonction des échanges d'énergie avec l'environnement extérieur. Les systèmes peuvent échanger de la masse et de l'énergie avec leur environnement, ce qui entraîne des variations dans leur état en termes de gain ou de perte de masse ou d'énergie. On parle alors de transformation du système, entraînant des variations des variables d'état.
Cette science a vu le jour à la fin du 17e siècle, principalement dans le but de développer des machines essentielles à l'industrie émergente. On raconte que Denis Papin (physicien français, 1647-1714) a eu l'idée de construire une machine utilisant de la vapeur d'eau en observant l'ébullition de l'eau dans un récipient. En voyant la vapeur soulever le couvercle, il a réalisé qu'elle pouvait également pousser un piston et ainsi fournir du travail.
La motivation initiale était donc de répondre à un besoin industriel crucial de l'époque : trouver les conditions optimales pour convertir la chaleur en travail. Les trois termes fondateurs de la thermodynamique sont présents dans cette idée. Le terme "thermodynamique" vient du grec et signifie respectivement "chaleur" et "force". On peut aborder la thermodynamique selon deux aspects différents :
a. Aspect macroscopique : On étudie les propriétés de la matière à l'échelle globale ou macroscopique, où les propriétés sont décrites par des variables d'état macroscopiques telles que la pression (P), le volume (V), la température (T), la masse (m), etc.
b. Aspect microscopique : On s'intéresse aux propriétés de la matière à l'échelle microscopique ou atomique en utilisant des grandeurs cinétiques individuelles des molécules ou des atomes (Pi, Vi, Ei, ...).
En fonction de l'aspect considéré, on distingue la thermodynamique classique ou statique.
a. Thermodynamique classique : Elle explique le comportement de la matière ou des systèmes en fonction de leurs variations d'énergie et d'entropie. Elle se concentre sur les états initiaux et finaux des systèmes en évolution et établit un bilan énergétique du système. Le chemin suivi par la transformation du système peut jouer un rôle (notion de réversibilité ou d'irréversibilité des transformations).
b. Thermodynamique statique : Elle cherche à expliquer l'origine et la signification des variables macroscopiques (P, T) ainsi que les concepts de chaleur, de travail et d'entropie en les reliant directement au mécanisme de l'agitation moléculaire. Elle met en évidence la température, la pression et la chaleur comme notions fondamentales.
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