Système thermodynamique
Notion d’échelle
La matière est composée d’entités élémentaires très petites (atomes, ions, molécules) dont le comportement individuel est inaccessible à l’échelle microscopique. Cependant, on peut prédire un comportement statistique et un comportement global macroscopique (à l’échelle humaine).
Définition d’un système thermodynamique
Un système thermodynamique est un ensemble constitué d’un nombre élevé de particules microscopiques. Si un système thermodynamique peut échanger de la matière avec l’extérieur, il échange le plus souvent de l’énergie avec lui.
Variables d’état
Pour décrire un système thermodynamique, on utilise un nombre limité de grandeurs physiques appelées "variables d’état" du système, comme la température T, la pression p, la masse volumique ρ, etc. Ces variables d’état sont mesurables et permettent de caractériser l’état d’équilibre du système.
La masse volumique ρ renseigne sur la distance entre les particules microscopiques.
La température T, exprimée en kelvin (K), est proportionnelle à l’énergie cinétique microscopique moyenne des molécules et reflète leur agitation thermique.
La pression p, en pascal (Pa), mesure l’intensité des chocs des molécules de gaz avec la paroi qui les contient et est d’autant plus faible que le gaz est dilaté.
Exemple : Le gaz parfait
Pour étudier un système à l’état gazeux, on peut utiliser le modèle du gaz parfait, qui considère les molécules de gaz comme des points matériels et néglige toute interaction entre elles. Ce modèle permet d’établir une équation de l’état du gaz parfait reliant différentes variables d’état :
Toutefois, ce modèle n’est pas précis dans toutes les situations, notamment à haute pression et à basse température.
En effet, à haute pression, le volume occupé par les molécules ne peut plus être négligé par rapport au volume occupé par le gaz. De plus, certaines interactions entre les molécules du gaz sont importantes. Enfin, à basse température, l’énergie cinétique est insuffisante et il est nécessaire de prendre en compte l’énergie d’interaction.
D’autres modèles sont alors nécessaires pour une description plus adaptée.
Vous pouvez visaliser les différentes variables d’états d’un gaz dans l’animation suivante :