Variables thermodynamiques

Les variables thermodynamiques (ou variables d’état) sont des grandeurs macroscopiques facilement mesurables qui permettent de caractériser l’état d’un système thermodynamique. Ces grandeurs seront différentes selon le type de système que l’on souhaitera décrire; un aimant, une galaxie ou un être vivant ne sont pas décrits de la même manière. Pour définir chacun de ces systèmes, il sera nécessaire d’utiliser un ensemble différent de grandeurs.

Dans les situations que nous traiterons tout au long de ces pages, nous supposerons que le système étudié est en équilibre thermodynamique:

C’est l’état interne d’un système pour lequel les variables thermodynamiques qui le décrivent ne subissent pas de changements macroscopiques.

Dans cette situation, les variables thermodynamiques qui décrivent un système sont bien définies.

Lorsque l’on analyse transformations subies par un gaz contenu dans un récipient, son état est décrit par les quantités suivantes:

• • Masse (m): elle est exprimée en kilogrammes (kg) o en nombre de moles (n).
  • Volume (V): il est exprimé en mètres cubiques (m³).
  • Pression (p): celle qu’exerce le gaz sur les parois du récipient qui le contient. Elle est exprimée en pascals (Pa)
  • Température (T): elle est exprimée généralement en kelvin (K) o en degré Celsius (⁰C).

Vous trouverez un bref résumé des unités du Système International dans cette page.

De la même manière, on peut définir d’autres grandeurs physiques appelées fonctions d’état à partir de relations entre les variables thermodynamiques. Ces fonctions ne dépendent que de l’état d’équilibre d’un système et non de la façon dont le système est arrivé à cet état.

Les variables thermodynamiques sont appelées extensives ou intensives selon la façon dont elles varient avec la taille du système qu’elles décrivent:

• • Variables extensives: leur valeur dépend de la taille du système. Par exemple: le volume ou la masse,
  • Variables intensives: leur valeur est indépendante de la taille du système. Par exemple: la température, la densité, la pression.

Une façon simple pour distinguer ces deux types de variables consiste à réaliser l’expérience mentale suivante:

Imaginez un gaz contenu dans un récipient fermé tel que celui montré dans la figure ci-dessus. Le gaz est à une pression p, occupe un volume V et est à une température T. Si l’on place une paroi au milieu du récipient, quelle sera la valeur des variables de chaque côté de la paroi? Si la valeur ne change pas, la variable est intensive; sinon elle est extensive.

Dans une situation d’équilibre thermodynamique, les variables d’état (par exemple p, V, T) sont liées les unes aux autres par une équation d’état. Il n’y a pas d’équation d’état unique qui décrirait le comportement de toutes les substances dans toutes les situations (ou du moins elle n’a pas été trouvé jusqu’à présent). En conséquence, il faudra utiliser une équation d’état différente selon le cas.

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