Décrire un système thermodynamique

Spé. Physique-Chimie · Terminale · cours rédigé et vérifié par Claryo, conforme au Bulletin officiel

L'essentiel

Un système thermodynamique est un corps (ou un ensemble de corps) macroscopique que l'on choisit d'étudier : un gaz dans une bouteille, l'eau d'une casserole, un bloc métallique. Il contient un très grand nombre d'entités microscopiques, de l'ordre du nombre d'Avogadro N_A = 6{,}022 \times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. Tout ce qui n'est pas le système constitue le milieu extérieur.

On décrit l'état d'un système par des variables d'état : la pression P (en pascals, Pa), la température T (en kelvins, K), le volume V (en \mathrm{m^3}) et la quantité de matière n (en mol). Ces grandeurs ne dépendent que de l'état actuel, jamais du chemin parcouru pour y arriver.

On distingue deux familles de grandeurs : - les grandeurs extensives sont additives et dépendent de la taille du système (volume, masse, quantité de matière, énergie interne U). Si on réunit deux systèmes identiques, elles doublent. - les grandeurs intensives sont locales et indépendantes de la taille (température, pression, masse volumique \rho). Réunir deux systèmes à T = 298\ \mathrm{K} donne un système à 298\ \mathrm{K}, pas 596\ \mathrm{K}.

Une astuce : le rapport de deux grandeurs extensives est intensif (par exemple \rho = m/V).

Un système est à l'équilibre thermodynamique lorsque ses variables d'état sont uniformes et constantes dans le temps, sans échange avec l'extérieur. Hors équilibre, il évolue spontanément vers cet état (la chaleur va du chaud vers le froid jusqu'à uniformisation de T).

Formules et schémas clés

  • Température absolue : T(\mathrm{K}) = \theta(^{\circ}\mathrm{C}) + 273{,}15. Zéro absolu : 0\ \mathrm{K} = -273{,}15\ ^{\circ}\mathrm{C}.
  • Masse volumique (intensive) : \rho = \dfrac{m}{V} en \mathrm{kg \cdot m^{-3}}.
  • Pression : P = \dfrac{F}{S} en \mathrm{Pa}, avec 1\ \mathrm{bar} = 10^{5}\ \mathrm{Pa} et P_{\text{atm}} \approx 1{,}013 \times 10^{5}\ \mathrm{Pa}.

Méthode type bac

1. Identifier le système et le milieu extérieur avant tout bilan. 2. Lister les variables d'état connues, les convertir en unités SI (P en Pa, T en K, V en \mathrm{m^3}). 3. Classer chaque grandeur en intensive ou extensive si la question le demande. 4. Repérer si le système est à l'équilibre (variables uniformes et constantes) ou en évolution.

Pièges

  • Ne jamais oublier de convertir en kelvins : une formule de thermodynamique n'accepte pas les degrés Celsius.
  • 1\ \mathrm{bar} = 10^{5}\ \mathrm{Pa} et non 10^{3}.
  • Confondre intensif et extensif : la température et la pression ne s'ajoutent jamais.
  • 1\ \mathrm{L} = 10^{-3}\ \mathrm{m^3}, donc penser à convertir le volume.

Pour l'épreuve

On attend une définition rigoureuse du système et la distinction extensif/intensif justifiée (« si on double le système, cette grandeur double / ne change pas »). Les calculs de masse volumique et de conversion d'unités sont fréquents en entrée d'exercice : ils doivent être impeccables, car toute la suite en dépend.