Système thermodynamique : propriétés, types, exemples

Introduction

Un système thermodynamique est une portion de l’univers définie, étudiée pour comprendre les échanges d’énergie et de matière avec son environnement, dans le cadre de la thermodynamique.

Définition d’un système thermodynamique

Un système thermodynamique est une région de l’espace où se produisent des phénomènes physiques impliquant des échanges d’énergie et de matière.​ Il peut être matériel, comme un gaz ou un liquide, ou conceptuel, comme un ensemble de particules en mouvement.​ Le système thermodynamique est défini par ses frontières, qui peuvent être réelles ou imaginaires, et qui séparent le système de son environnement.​ Les systèmes thermodynamiques peuvent être macroscopiques, comme un moteur à explosion, ou microscopiques, comme un atome ou une molécule.​

Importance des systèmes thermodynamiques

L’étude des systèmes thermodynamiques est fondamentale pour comprendre les principes qui régissent l’univers.​ Elle permet de décrire les phénomènes physiques qui se produisent à différentes échelles, desde la petite échelle atomique jusqu’à la grande échelle cosmique.​ Les systèmes thermodynamiques jouent un rôle clé dans de nombreux domaines, tels que la production d’énergie, la réfrigération, la climatisation, la propulsion des véhicules, etc. La maîtrise des systèmes thermodynamiques est essentielle pour concevoir et optimiser les systèmes énergétiques, ce qui a un impact direct sur notre quotidien et notre environnement.

Propriétés d’un système thermodynamique

Les propriétés d’un système thermodynamique comprennent l’énergie interne, l’entropie, l’énergie cinétique, l’énergie potentielle et la température, qui caractérisent son état thermodynamique.​

Énergie interne et énergie cinétique

L’énergie interne d’un système thermodynamique représente l’énergie totale de ses particules, incluant l’énergie cinétique et potentielle des molécules qui le composent.​ Elle est fonction de la température et de la composition du système.​

L’énergie cinétique, quant à elle, correspond à l’énergie de mouvement des particules qui composent le système.​ Elle est directement liée à la température du système, une augmentation de la température entraînant une augmentation de l’énergie cinétique.​

Ces deux grandeurs sont intimement liées et varient en fonction des échanges d’énergie entre le système et son environnement, ce qui influence l’état thermodynamique du système.​

Entropie et équilibre thermique

L’entropie est une mesure du désordre ou de la dégradation de l’énergie dans un système thermodynamique.​ Elle est fonction de la température et de la quantité d’énergie transférée sous forme de chaleur.​

Lorsqu’un système atteint l’équilibre thermique, son entropie est maximale et son énergie est répartie de manière uniforme.​ À cet état, il n’y a plus d’échange d’énergie entre le système et son environnement.​

L’entropie joue un rôle clé dans la compréhension des phénomènes thermodynamiques, car elle permet de déterminer la direction spontanée des réactions chimiques et des échanges d’énergie.​

Types de systèmes thermodynamiques

Les systèmes thermodynamiques sont classés en trois catégories ⁚ système fermé, système isolé et système ouvert, en fonction de leurs interactions avec l’environnement.​

Système fermé

Un système fermé est un système thermodynamique qui échange de l’énergie, mais pas de matière, avec son environnement.​

Ce type de système est caractérisé par une frontière rigide qui empêche tout échange de matière, mais permet les transferts d’énergie sous forme de chaleur ou de travail.​

Les systèmes fermés sont couramment utilisés pour modéliser des phénomènes thermodynamiques, tels que la compression d’un gaz ou la dissolution d’un solide dans un liquide.​

Ils permettent d’étudier les transformations d’énergie et les changements d’état sans prendre en compte les échanges de matière avec l’environnement.​

Système isolé

Un système isolé est un système thermodynamique qui n’échange ni matière ni énergie avec son environnement.​

Ce type de système est complètement cloisonné et ne subit aucun échange avec l’extérieur, ce qui signifie que son énergie totale et sa quantité de matière restent constantes.​

Les systèmes isolés sont idéalisés, car dans la réalité, il est impossible de créer un système qui ne soit pas affecté par son environnement.​

Cependant, les systèmes isolés sont utiles pour les études théoriques et permettent de comprendre les principes fondamentaux de la thermodynamique, tels que la conservation de l’énergie et la croissance de l’entropie.

Système ouvert

Un système ouvert est un système thermodynamique qui échange de la matière et de l’énergie avec son environnement.​

Ce type de système est caractérisé par des échanges de matière et d’énergie à travers ses frontières, ce qui signifie que son énergie totale et sa quantité de matière peuvent varier.​

Les systèmes ouverts sont couramment rencontrés dans la nature, tels que les êtres vivants, les moteurs thermiques et les réacteurs chimiques.

Ils sont importants pour comprendre les phénomènes thermodynamiques complexes, tels que la production d’énergie et la conversion de l’énergie en travail.​

Processus thermodynamiques

Les processus thermodynamiques sont des transformations qui affectent l’état d’un système thermodynamique, impliquant des échanges d’énergie et de matière avec son environnement.​

Processus adiabatique

Un processus adiabatique est une transformation thermodynamique au cours de laquelle il n’y a aucun échange de chaleur entre le système et son environnement.​ L’énergie est uniquement transférée sous forme de travail.​

Ce type de processus est caractérisé par une variation de la température du système, due à la compression ou à l’expansion du système.​ Les processus adiabatiques sont réversibles si le système est soumis à des forces extérieures infinitésimrale, mais irréversibles dans les cas réels.​

L’étude des processus adiabatiques est importante pour comprendre le comportement des gaz et des fluides en mouvement, notamment dans les moteurs thermiques et les turbomachines.​

Processus isotherme

Un processus isotherme est une transformation thermodynamique au cours de laquelle la température du système reste constante. Cela signifie que le système échange de la chaleur avec son environnement pour maintenir sa température.​

Dans un processus isotherme, l’énergie est transférée sous forme de chaleur ou de travail.​ Les processus isothermes sont réversibles, car le système peut revenir à son état initial en inversant le sens du processus.​

Les processus isothermes sont importants pour comprendre les phénomènes de changement d’état, tels que la fusion et la vaporisation, ainsi que les réactions chimiques qui se produisent à température constante.​

Processus isobare

Un processus isobare est une transformation thermodynamique au cours de laquelle la pression du système reste constante.​ Cela signifie que le volume du système varie pour maintenir la pression constante.​

Dans un processus isobare, l’énergie est transférée sous forme de travail et de chaleur.​ Les processus isobares sont couramment rencontrés dans les systèmes où la pression est maintenue constante, tels que les réservoirs de gaz ou les générateurs de vapeur.

Les processus isobares sont importants pour comprendre les phénomènes de compression et de détente, ainsi que les transformations de phase qui se produisent à pression constante.

Processus réversibles et irréversibles

Les processus thermodynamiques peuvent être classés en deux catégories ⁚ les processus réversibles, qui peuvent être inversés sans perte d’énergie, et les processus irréversibles, qui impliquent une perte d’énergie.​

Processus réversible

Un processus réversible est un processus thermodynamique qui peut être inversé sans perte d’énergie.​ Dans ce type de processus, l’enthalpie du système et de son environnement restent inchangées. Les processus réversibles sont théoriquement possibles, mais ils ne sont jamais réalisés dans la pratique car ils nécessiteraient une infinité de temps.​

Ils sont cependant utiles pour comprendre les principes fondamentaux de la thermodynamique et pour évaluer l’efficacité des machines thermiques.​ Les processus réversibles sont caractérisés par une absence de frottement, de résistance électrique et de perte de chaleur.

Processus irréversible

Un processus irréversible est un processus thermodynamique qui ne peut pas être inversé sans perte d’énergie.​ Dans ce type de processus, l’enthalpie du système et de son environnement changent de manière définitive.​

Ils sont caractérisés par la présence de frottement, de résistance électrique et de perte de chaleur.​ Les processus irréversibles sont les seuls rencontrés dans la pratique et sont à la base de tous les phénomènes thermodynamiques observés dans la nature.​

Ils entraînent une augmentation de l’entropie du système et de son environnement, ce qui signifie que l’énergie disponible pour produire du travail diminue.​

Applications et exemples

Les systèmes thermodynamiques ont des applications dans de nombreux domaines, tels que la production d’énergie, la réfrigération, la climatisation et les moteurs thermiques.​

Le cycle de Carnot

Le cycle de Carnot est un processus thermodynamique idéal qui décrit le fonctionnement d’une machine thermique réversible.​ Il consiste en quatre étapes ⁚

• Une compression isotherme;
• Une compression adiabatique;
• Une détente isotherme;
• Une détente adiabatique.​

Ce cycle permet de convertir une partie de l’énergie thermique en travail mécanique, avec une efficacité maximale. Le cycle de Carnot est considéré comme un référentiel pour évaluer l’efficacité des machines thermiques réelles.​

Ce cycle a été découvert par Sadi Carnot en 1824 et représente un modèle idéal pour les machines à vapeur et les moteurs à combustion interne.

Exemples de systèmes thermodynamiques dans la vie quotidienne

Les systèmes thermodynamiques sont omniprésents dans notre vie quotidienne.​ Voici quelques exemples ⁚

• Un réfrigérateur, qui maintient une température inférieure à celle de l’environnement en échangeant de la chaleur avec l’extérieur;
• Un radiateur, qui transfère de la chaleur d’un fluide chaud à l’air ambiant;
• Un moteur à combustion interne, qui convertit l’énergie chimique du carburant en énergie mécanique;
• Un climatiseur, qui contrôle la température et l’humidité d’un espace fermé.​

Ces systèmes thermodynamiques nous entourent et nous facilitent la vie, en nous permettant de contrôler et de gérer l’énergie thermique.​