La thermodynamique est l’étude de la conversion de l’énergie entre deux formes, chaleur et travail. Pourtant, ses débuts remontent bien avant que ces trois concepts ne soient établis : pendant longtemps il ne s’agissait que de se pencher sur la nature de la chaleur. Autrement dit, que veut dire « chaud » exactement ? Peut-on le mesurer ?
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L’énergie
Nous nous attaquons d’emblée à l’une des notions les plus diXciles de toute la physique : l’énergie. Nous observons que dans tous les phénomènes, lors de toutes les transformations que nous pouvons observer dans l’univers, il existe une grandeur qui ne varie pas. Cette grandeur quantiVe une propriété abstraite (énergie vient du grec ἐνέργεια, energeia, soit « activité », « opération ») qui peut prendre de multiples formes.
Évolution d’un système thermodynamique
Un système thermodynamique peut évoluer entre des états différents. On définit des évolutions particulières de systèmes thermodynamiques. C’est ainsi que l’on introduira les notions de transformations réversibles ou irréversibles, de transformations adiabatiques (sans échange de chaleur avec le milieu extérieur), de transformations isothermes (à température constante), de transformations isobares (à pression constante) ou encore isochores (à volume constant).
Système thermodynamique
Un système thermodynamique peut être complexe; il peut évoluer (évolution thermodynamique, chimique, biologique, etc.). On caractérise un système suivant la nature de ses échanges (matière et énergie) avec l’extérieur. Le système est dit isolé s’il n’échange ni matière ni énergie avec le milieu extérieur (l’Univers est un système isolé). Il est dit fermé s’il n’échange pas de matière avec le milieu extérieur. Il est dit ouvert s’il peut échanger de la matière avec le milieu extérieur
Système thermodynamique ouvert
Considérons maintenant un système ouvert qui échange non seulement chaleur et énergie mécanique avec le milieu extérieur mais également de la matière. Pour aborder ce problème, nous allons d’abord introduire les notions de volume de contrôle et de système fermé déformable.