Un système thermodynamique est une partie de l’univers physique avec une limite spécifique pour l’observation. Cette frontière peut être définie par des murs réels ou imaginaires.
Un système contient ce qu’on appelle un objet d’étude. Un objet d’étude est une substance contenant un grand nombre de molécules ou d’atomes. Cet objet est formé d'un volume géométrique de dimensions macroscopiques soumis à des conditions expérimentales contrôlées.
Un système thermodynamique peut subir des transformations internes et échanger de l'énergie et/ou de la matière avec l'environnement extérieur.
Définition : Qu'est-ce qu'un système thermodynamique ?
Un système thermodynamique est défini comme une quantité de matière ou une région de l'espace sur laquelle l'attention est focalisée dans l'analyse d'un problème.
Tout ce qui fait partie de l’extérieur du système est appelé l’environnement ou les environs. Le système est séparé de l’environnement par la limite du système.
La limite peut être fixe ou mobile. Un système et son environnement ensemble.
Classification des systèmes thermodynamiques
En thermodynamique, les systèmes peuvent être classés en trois catégories principales selon leur capacité à échanger de la matière et de l'énergie avec l'environnement :
Système ouvert
Un système est considéré comme ouvert lorsqu'il permet l'échange de matière et d'énergie avec son environnement à travers sa frontière. Le transfert d’énergie peut se produire sous forme de chaleur, de travail ou d’autres manifestations énergétiques.
Exemple : Une piscine remplie d’eau est un système ouvert, car l’eau peut entrer et sortir, et la température de l’eau peut varier en raison de facteurs tels que le chauffage ou l’action du vent, ce qui peut provoquer un refroidissement par évaporation.
Système fermé
Un système fermé est un système qui permet l'échange d'énergie avec son environnement à travers ses frontières (que ce soit sous forme de chaleur, de travail ou d'autres formes d'énergie), mais ne permet pas le transfert de masse.
Exemple : Un cylindre contenant du gaz scellé par une valve est un système fermé tant que la valve reste fermée, car il peut être chauffé ou refroidi sans perdre de masse. Cependant, si la vanne est ouverte, du gaz peut s'échapper et le système s'ouvre.
Système isolé
Un système isolé répond à deux conditions fondamentales :
- Il n’échange pas de matière avec l’environnement.
- Il n'échange pas d'énergie avec l'environnement.
Exemple : L’univers est généralement considéré comme un système isolé, car il n’existe aucune preuve d’échange de matière ou d’énergie avec quoi que ce soit en dehors de lui.
Subdivisions supplémentaires des systèmes thermodynamiques
Les systèmes pouvant présenter une grande complexité interne, il est possible de les subdiviser en sous-systèmes plus petits selon différents critères.
Selon sa composition interne :
- Système thermodynamique simple : Il est délimité par une seule frontière et ne contient pas de subdivisions internes.
- Système thermodynamique composite : Contient dans ses limites un ou plusieurs sous-systèmes séparés par des limites internes.
Selon son homogénéité :
- Systèmes homogènes : Ils présentent des propriétés macroscopiques uniformes sur toute leur extension.
- Systèmes hétérogènes : Ils présentent des variations dans leurs propriétés macroscopiques dans différentes régions. Un exemple de système hétérogène est un liquide en équilibre avec sa vapeur.
Caractéristiques des systèmes thermodynamiques
Les systèmes thermodynamiques présentent diverses caractéristiques qui déterminent leur comportement et les lois qui les régissent :
- Limites du système : Elles peuvent être réelles ou imaginaires et déterminent les limites du système. Ces limites peuvent être rigides ou mobiles, selon le type de système.
- Échange de matière et d'énergie : Selon le type de système, il peut y avoir ou non transfert de masse et d'énergie avec l'environnement. Les systèmes ouverts permettent les deux échanges, les systèmes fermés uniquement l'énergie et les systèmes isolés aucun.
- États et équilibre : Un système peut être décrit par des variables thermodynamiques telles que la température, la pression et le volume. Un système en équilibre ne connaît aucun changement net dans ces variables.
- Processus thermodynamiques : Ce sont les transformations qu'un système subit en raison de l'interaction avec l'environnement, telles que la dilatation, la compression et le transfert de chaleur.
- Lois de la thermodynamique : Les systèmes obéissent à des principes fondamentaux, tels que la conservation de l'énergie et la tendance vers l'équilibre.