Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

3 Notions de système thermodynamique et d'état

Système thermodynamique

Il est à ce stade nécessaire d'introduire la notion de système thermodynamique, qui représente une telle quantité de matière isolée de ce que l'on appelle l'environnement par une frontière réelle ou fictive. Cette notion de système est très générale en physique et se retrouve notamment en mécanique.

On est couramment amené à distinguer deux types de systèmes : les systèmes fermés, qui n'échangent pas de matière avec l'environnement, et les systèmes ouverts qui en échangent.

Systèmes fermé et ouvert

Cette distinction est importante car les propriétés thermodynamiques ne s'expriment pas de la même manière en système fermé et en système ouvert. Paradoxalement même, elles sont généralement plus faciles à calculer pour les systèmes ouverts, bien qu'ils mettent en jeu un transfert de matière.

Il importe de bien noter que le caractère ouvert ou fermé d'un système dépend des frontières que l'on choisit pour le définir, ce qui peut induire de petites difficultés sémantiques.

La présentation qui a été faite précédemment du fonctionnement des composants qui interviennent dans les machines que nous désirons étudier a montré qu'ils opèrent en système ouvert[1], étant tous traversés par des fluides.

Notion d'état

La notion d'état d'un système représente "l'information minimale nécessaire à la détermination de son comportement futur". Cet état est défini par ce que l'on appelle un jeu de variables d'état permettant de complètement caractériser ce système à un instant donné.

En mécanique, les grandeurs de position et la vitesse déterminent l'état d'un système.

Pour un système thermodynamique simple comme une particule de matière d'un fluide pur, il existe plusieurs ensembles de variables d'état répondant à cette définition. Les plus utilisés dans la littérature sont les couples suivants : (pression, température), (pression, volume), (température, volume).

Pour des systèmes plus complexes, il peut être nécessaire d'ajouter à ces variables d'état deux autres grandes catégories :

  • les variables chimiques ;

  • les variables électriques.

Une fonction d'état[2] est une grandeur dont la valeur ne dépend que de l'état du système, et non pas de son histoire.

Nous noterons avec un d une évolution infinitésimale d'une fonction d'état : par exemple dP pour une petite variation de pression

Cependant, lors de l'évolution d'un système thermodynamique, de nombreuses grandeurs dépendent non seulement des états initial et final du système, mais aussi de la manière dont l'évolution prend place.

Ces grandeurs sont souvent appelées des fonctions de parcours, pour indiquer cette dépendance. C'est le cas du travail mis en jeu ou bien de la chaleur échangée aux frontières du système. Nous noterons avec un une évolution infinitésimale d'une fonction de parcours : par exemple pour une petite variation de travail

Dans le cas général, le calcul de ces fonctions de parcours est plus complexe que celui des fonctions d'état.

  1. Systèmes ouverts et fermés

    Un système thermodynamique désigne une quantité de matière isolable de son environnement par une frontière fictive ou réelle. Ce système est dit fermé s'il n'échange pas de matière avec l'extérieur à travers ses frontières ; sinon il est dit ouvert. Les débutants sont souvent décontenancés par la distinction entre systèmes fermés et systèmes ouverts, ces derniers correspondant à un concept nouveau pour eux car au cours de leur scolarité de premier cycle, ils n'ont généralement étudié que des systèmes fermés (pour éviter la prise en compte des échanges de matière aux frontières).

  2. Fonction d'état

    Une fonction d'état est une grandeur dont la valeur ne dépend que de l'état du système, et non pas de son histoire.

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