Fiche de révision : Introduction à la thermodynamique

📋 Plan du Cours

1. Fondements et approches thermodynamiques
2. Systèmes et échanges avec le milieu
3. Phases et état d’équilibre
4. Variables et fonctions d’état
5. Équations d’état et gaz parfait
6. Énergie et énergie interne
7. Transformations thermodynamiques
8. Transformations particulières et diagrammes

📖 1. Fondements et approches thermodynamiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermodynamique : Science qui étudie et décrit le comportement des systèmes selon des grandeurs physiques et leurs transformations lors des échanges d’énergie avec le milieu extérieur.

📝 Points essentiels

📌 La thermodynamique classique décrit l’équilibre et le comportement global des systèmes macroscopiques, tandis que la thermodynamique statistique décrit les particules individuellement et relie les variables macroscopiques ainsi que la chaleur, le travail et l’entropie à l’agitation moléculaire.

💡 Astuce mémo

Le macroscopique décrit le comportement global ; le microscopique suit les particules.

📖 2. Systèmes et échanges avec le milieu

🔑 Notions clés & Définitions

• Système thermodynamique : Ensemble d’objets délimité par une enveloppe géométrique macroscopique, déformable ou non, séparé du reste de l’univers appelé milieu.

📖 3. Phases et état d’équilibre

🔑 Notions clés & Définitions

• Phase : Partie homogène d’un système.

📝 Points essentiels

• Les quatre phases de la matière sont :
  • le solide
  • le liquide
  • le gaz
  • le plasma

📖 4. Variables et fonctions d’état

🔑 Notions clés & Définitions

• Variable d’état : Grandeur macroscopique utilisée pour décrire complètement l’état d’un système.
• Fonction d’état : Fonction qui dépend uniquement de l’état d’équilibre du système et non du chemin suivi pour atteindre cet état.

📝 Points essentiels

📌 Les variables extensives sont quantitatives et additives, tandis que les variables intensives sont indépendantes de la quantité de matière servant à les définir.

💡 Astuce mémo

Extensive : additive ; intensive : indépendante de la quantité de matière.

📖 5. Équations d’état et gaz parfait

🔑 Notions clés & Définitions

• Équation d’état : Une équation d’état exprime mathématiquement les relations entre les variables d’état d’un système et permet de prévoir son comportement dans différentes conditions.

📝 Points essentiels

• Les variables d’état sont liées entre elles et ne sont donc pas indépendantes.

📐 Formule - À l’équilibre, un gaz parfait vérifie $pV=nRT$, où n est la quantité de matière en mol, R la constante universelle des gaz parfaits égale à 8.314 J/(K·mol), V le volume en m³ et T la température en K.

📖 6. Énergie et énergie interne

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie interne : Énergie stockée à l’échelle microscopique au sein d’un système.

📝 Points essentiels

• L’énergie totale est conservée et ne peut être ni créée ni détruite.

📌 L’énergie d’un système comprend une composante macroscopique définie en mécanique et une composante microscopique appelée énergie interne, notée U.

• Les contributions à l’énergie interne sont :
  • l’énergie cinétique de translation
  • l’énergie cinétique de rotation
  • l’énergie de vibration
  • l’énergie d’interaction moléculaire

📖 7. Transformations thermodynamiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformation thermodynamique : Tout changement d’état d’un système.
• Transformation quasi-statique : Transformation suffisamment lente pour faire passer le système par une suite continue d’états d’équilibre thermodynamique internes.
• Transformation réversible : Suite continue d’états d’équilibre thermodynamique internes, mécaniques et thermiques, parcourus dans l’ordre inverse au retour par rapport à l’aller entre deux états.

📝 Points essentiels

📌 Lors d’une transformation, un système ouvert peut échanger énergie et matière avec le milieu, un système fermé peut échanger seulement de l’énergie et un système isolé subit un processus interne sans échange avec le milieu.

📖 8. Transformations particulières et diagrammes

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformation adiabatique : Transformation qui s’effectue sans échange de chaleur avec le milieu extérieur, le système étant thermiquement isolé.

📝 Points essentiels

📌 Une transformation réversible ne comporte aucun phénomène dissipatif, tel que les frottements solides, la viscosité ou l’effet Joule ; des effets visqueux ou une onde de choc caractérisent une transformation irréversible.

📊 Tableaux de synthèse

Types de systèmes thermodynamiques