Transformations thermodynamiques. Diagramme PV

Une transformation thermodynamique est un processus durant lequel un système thermodynamique passe d’un état d’équilibre à un autre.

Bien que l’enfant de la figure supérieure puisse difficilement être considéré comme un système en équilibre, l’exemple est utile pour illustrer ce qui se passe dans un système thermodynamique. Initialement il se trouve dans un état 1, puis après avoir échangé (dans ce cas de la matière et de l’énergie) avec le milieu extérieur, il passe à un état final 2. Durant ce processus, l’énergie chimique stockée dans la glace a été transformée en énergie cinétique.

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Sans entrer dans des définitions formelles, les transformations thermodynamique peuvent être:

    • Quasi statiques: lorsqu’elles se déroulent infiniment lentement. Bien qu’il y ait des exceptions, en général tous les états par lesquels passe un système lorsqu’il subit une transformation quasi statique sont équilibrés.
    • Reversibles: lorsque l’on peut inverser le sens dans lequel elles se déroulent sans produire de changement dans le système ou dans le milieu extérieur. Dans les systèmes que nous étudierons, toute transformation réversible sera quasi statique.
    • Irréversibles: lorsqu’elles ne sont pas réversibles. Pour ces transformations, les états intermédiaires traversés par le système ne sont pas tous en équilibre et conduisent à une augmentation de l’entropie de l’univers.

Un moyen simple pour visualiser l’état d’une substance et les transformations qu’elle subit consiste à les représenter dans un diagramme de Clapeyron ou un diagramme PV, comme celui illustré dans la figure suivante.

Le volume (avec ses unités) occupé par la substance dans chaque état est représenté sur l’axe horizontal du diagramme. La pression (avec ses unités) à laquelle se trouve la substance est elle représentée sur l’axe vertical. La température est écrite entre parenthèses pour chacun des états. Pour certaines substances, elle peut être déterminée par l’équation d’état; par exemple, lorsque l’on travaille avec un gaz parfait.

Les états 1 et 2 sont reliés par une courbe qui représente la transformation que la substance a subie lorsqu’elle est passée d’un état à l’autre. Elle est généralement représenté en ligne continue (en vert sur la figure) lorsqu’elle est réversible et en ligne pointillée (en rouge sur la figure) lorsqu’elle est irréversible.

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Le diagramme de Clapeyron (ou diagramme PV) est très utile pour représenter, par exemple, les isothermes d’un gaz parfait, le travail fourni par un gaz, ou le cycle décrit par le fluide moteur d’une machine thermique.

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