La thermodynamique est la branche de la physique qui étudie les échanges d'énergie et de matière dans les systèmes. L'un de ses concepts fondamentaux est l' état thermodynamique , qui décrit complètement un système en termes d'un ensemble de variables permettant de prédire son comportement.
Les systèmes thermodynamiques sont caractérisés par une série de propriétés physiques, chimiques et mécaniques qui déterminent leur état, et celles-ci peuvent être manipulées ou modifiées par des processus thermodynamiques.
Qu'est-ce qu'un état thermodynamique ?
Un état thermodynamique est l’ensemble de toutes les variables d’état d’un système thermodynamique à un instant donné. Ces variables peuvent inclure, sans s'y limiter, la température, la pression, le volume, l'énergie interne et l'enthalpie.
Les variables d'état sont les grandeurs qui permettent de décrire complètement l'état d'un système. En d’autres termes, la manière dont le système est arrivé à cet état n’a pas d’importance ; la seule chose qui compte est la valeur des variables au moment présent.
Un exemple simple est un gaz contenu dans un récipient fermé tel que le piston d'un moteur thermique. Pour décrire l’état du gaz, il faut connaître sa pression, son volume et sa température. Une fois ces variables déterminées, l’état du système est complètement défini.
Variables d'état
Les variables d'état ou paramètres d'état sont les grandeurs physiques qui décrivent l'état d'un système thermodynamique en équilibre sans qu'il soit nécessaire de connaître son historique antérieur.
Ceux-ci peuvent être classés en deux types :
- Variables étendues : Ce sont celles qui dépendent de la quantité de matière dans le système, comme le volume, l'énergie interne, l'enthalpie et la masse.
- Variables intensives : Elles ne dépendent pas de la quantité de matière, comme la température, la pression et la densité.
Pour tout système, la combinaison d’un nombre adéquat de ces variables d’état est suffisante pour décrire complètement son état thermodynamique.
Les relations entre ces variables sont déterminées par les équations d'état.
Les fonctions de l'État et leur importance
Une fonction d'état est toute propriété d'un système qui dépend uniquement de l'état actuel du système, quel que soit le chemin ou le processus par lequel il a atteint cet état.
Les fonctions d’état sont fondamentales en thermodynamique car elles nous permettent de prédire comment le système va changer sans avoir à retracer toute son histoire. Cela simplifie grandement les analyses thermodynamiques.
Exemples de fonctions d'état
Voici quelques exemples de fonctions d'état :
- Énergie interne (U) : C'est la somme de l'énergie cinétique et potentielle de toutes les particules d'un système.
- Enthalpie (H) : Représente l'énergie totale d'un système, comprenant à la fois l'énergie interne et le produit de sa pression et de son volume.
- Entropie (S) : C'est une mesure du désordre ou du caractère aléatoire dans un système.
- Pression (P) : Force exercée par le système par unité de surface.
- Température (T) : Une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules dans le système.
- Volume (V) : Espace occupé par le système.
Les équations d'état : relation entre variables d'état
Les équations d'état sont des relations mathématiques qui relient les variables d'état d'un système.
En général, les équations d’état permettent de prédire comment les propriétés d’un système changeront en réponse à des changements de conditions externes, telles que la température ou la pression.
Pour un gaz parfait, par exemple, l’équation d’état est la célèbre équation des gaz parfaits :
P·V=n·R·T
Où:
- P est la pression,
- V est le volume,
- n est la quantité de substance (en moles),
- R est la constante des gaz parfaits, et
- T est la température absolue.
Pour les systèmes plus complexes, tels que les gaz, liquides ou solides réels, les équations d’état peuvent être beaucoup plus compliquées.
L'équilibre thermodynamique
Un concept fondamental en thermodynamique est celui de l'équilibre thermodynamique. Un système est en état d’équilibre lorsque ses propriétés macroscopiques ne changent pas avec le temps.
Cela implique que le système a atteint un état où les forces et les flux d’énergie ou de matière sont équilibrés.
Il existe plusieurs types d’équilibre qu’un système peut atteindre :
- L'équilibre thermique : Il est atteint lorsque la température est uniforme dans tout le système et qu'il n'y a pas de flux de chaleur entre les différentes parties du système ou avec son environnement.
- Équilibre mécanique : Cela se produit lorsque les forces internes et externes agissant sur le système sont équilibrées, de sorte qu'il n'y a pas de mouvement net de matière ni de changement de pression.
- Équilibre de phases : se produit lorsque la masse de chaque phase d'un système reste constante dans le temps. Un exemple classique est un système dans lequel un liquide et sa vapeur coexistent en équilibre.
- Équilibre chimique : se produit lorsque les réactions chimiques au sein d'un système ont atteint un point où les vitesses de réaction directe et inverse sont égales et où les concentrations des réactifs et des produits ne changent pas.
En pratique, un système qui a atteint l’équilibre thermodynamique ne subit plus de changements spontanés dans ses propriétés macroscopiques.
Diagrammes d'états thermodynamiques
Un moyen utile de représenter les états et les transitions d'un système consiste à utiliser des diagrammes thermodynamiques . Ces diagrammes vous permettent de visualiser comment les variables d'état d'un système changent au cours d'un processus.
- Diagramme PV (Pression-Volume) : C'est l'un des plus courants et est utilisé pour représenter les processus dans les systèmes à gaz. Dans ce diagramme, l'aire sous la courbe dans un processus isobare (pression constante) représente le travail effectué par le système.
- Diagramme TS (Température-Entropie) : Ce diagramme est particulièrement utile dans l'analyse des cycles thermodynamiques, comme le cycle de Carnot. L'aire sous la courbe en boucle fermée sur un diagramme TS représente la chaleur échangée.
- Diagramme HS (Enthalpie-Entropie) ou Diagramme de Mollier : Largement utilisé en ingénierie pour étudier les turbines, les compresseurs et autres équipements électriques.
Processus thermodynamiques
Les systèmes thermodynamiques peuvent subir des processus thermodynamiques , qui sont des transitions d'un état d'équilibre à un autre. Au cours de ces processus, les variables d’état changent et des échanges d’énergie et de matière avec l’environnement peuvent avoir lieu.
Certains types courants de processus sont :
- Processus isobare : Se produit à pression constante.
- Procédé isochore : Il est réalisé à volume constant.
- Processus isotherme : Il se déroule à température constante.
- Processus adiabatique : Il n'y a pas d'échange thermique avec l'environnement.
Les lois de la thermodynamique et les états thermodynamiques
Les lois de la thermodynamique sont des principes fondamentaux qui régissent les états et les processus thermodynamiques.
- Loi zéro de la thermodynamique : stipule que si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième système, alors ils sont en équilibre thermique l'un avec l'autre. Cela signifie qu’il n’y aura aucun flux de chaleur net entre ces systèmes lorsqu’ils seront en contact les uns avec les autres, ce qui implique qu’ils auront tous la même température.
- Première loi de la thermodynamique (conservation de l'énergie) : Elle stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, elle ne peut qu'être transformée d'une forme à une autre. Dans le cadre d'un système thermodynamique, la variation de l'énergie interne est égale à la chaleur ajoutée moins le travail effectué par le système.
- Deuxième loi de la thermodynamique : Introduit le concept d' entropie et déclare que dans tout processus spontané, l'entropie totale du système et de son environnement augmente toujours. Cela signifie que les processus irréversibles tendent à accroître le désordre.
- Troisième loi de la thermodynamique : postule que, à mesure qu'elle s'approche du zéro absolu, l'entropie d'un système se rapproche d'une valeur minimale et, dans certains cas, elle peut atteindre une valeur de zéro dans des systèmes parfaitement ordonnés.
Exemples d'états thermodynamiques :
Voici quelques exemples d’ états thermodynamiques pour différents systèmes :
Système de fluide caloporteur dans un capteur solaire
Un fluide caloporteur, tel que le glycol, circule à travers un capteur solaire thermique et atteint une température de 120°C (393 K) sous une pression de 2 atm.
Le fluide est utilisé pour transférer l'énergie thermique absorbée par les capteurs vers un échangeur de chaleur pour chauffer de l'eau ou générer de la vapeur.
Cet état décrit le fluide thermique chauffé par l'énergie solaire dans un système d'énergie solaire thermique.
Réservoir de stockage de chaleur solaire
Un réservoir de stockage d'énergie thermique contenant de l'eau chauffée à 90°C par l'énergie solaire thermique sous une pression de 1,5 atm.
Il s'agit d'un état courant dans les systèmes de stockage de chaleur solaire, où l'eau chaude est ensuite utilisée pour le chauffage ou pour générer de la vapeur dans une centrale solaire à concentration (CSP).
Les variables pertinentes sont la température, la pression et le volume d'eau.
Système de vapeur généré par l'énergie solaire
Vapeur d'eau à 200°C (473 K) générée par un champ de capteurs solaires thermiques qui concentrent le rayonnement solaire.
La vapeur est à 15 atm et est utilisée pour entraîner une turbine dans un système de production d'électricité utilisant l'énergie solaire concentrée (CSP).
Ici, le rayonnement solaire est la source d'énergie permettant d'augmenter l'énergie interne de l'eau, en la convertissant en vapeur qui travaille sur la turbine.
Système d'échange de chaleur à énergie solaire
Système dans lequel un fluide, tel que de l'huile thermique, circule à travers des tubes qui absorbent le rayonnement solaire, atteignant une température de 300°C et une pression de 3 atm.
La chaleur du fluide est ensuite transférée vers un système d’échange thermique pour chauffer l’eau et produire de la vapeur. Il s'agit d'un composant typique d'une centrale solaire thermique, où l'huile thermique transporte l'énergie solaire absorbée.
Système réfrigérant dans un cycle de réfrigération
Un réfrigérant, tel que le R-134a , circule dans un cycle de compression de vapeur, utilisé dans un système de réfrigération. Dans une étape, le réfrigérant est à l'état de vapeur à une température de -10°C et sous une pression de 2 atm après avoir traversé l'évaporateur. Cet état décrit le réfrigérant en train d’absorber la chaleur de l’environnement, une application courante dans les systèmes de climatisation et les réfrigérateurs.
moteur à combustion interne
Dans le cycle Otto d'un moteur à combustion interne, l'air et le carburant sont dans un cylindre juste après la combustion, à une température de 1500 K, une pression de 30 atm, et un petit volume (proche du volume minimum du cylindre).
Il s'agit d'un état clé du cycle de fonctionnement du moteur, où le mélange air-carburant atteint sa température et sa pression maximales, entraînant le piston.
Système d'air comprimé dans une usine
Air comprimé stocké dans un réservoir à 298 K (25°C), sous une pression de 8 atm et d'un volume de 50 litres.
L'air comprimé est utilisé pour alimenter les outils pneumatiques ou les systèmes de contrôle dans une usine. Les variables d'état qui décrivent l'air comprimé sont la température, la pression et le volume.
Solide à l'état de sublimation
Bloc de neige carbonique (dioxyde de carbone solide) exposé à l'air ambiant à une température ambiante de 20°C (293 K) et à une pression atmosphérique de 1 atm.
Dans cet état, la neige carbonique se sublime, passant directement du solide au gaz, et sa masse diminue avec le temps. Les variables d'état de ce système incluent la température, la pression et la masse du solide/gaz, dans ce processus de transition de phase.