Apport de la thermodynamique à la compréhension des processus métamorphiques

I.1.2. Système thermodynamique et état d'équilibre6(*)

I.1.2.1 Définition du système

Pour décrire thermo dynamiquement un système, il faut à la fois :

· définir le système en délimitant ses frontières par rapport au milieu extérieur

· déterminer l'état du système défini par ses variables.

Système

Milieu extérieur

Le système est défini comme une partie de matière (de masse donnée) délimitée par rapport au milieu extérieur (Fig.5). Le milieu extérieur est le reste de l'espace entourant le système.

Fig.5: Délimitation du système

Le système peut être ouvert ou fermé, adiabatique c'est-à-dire isolé thermiquement (Q = 0) ou rigide c.à.d indéformable (W = 0).

Système	Echange Matière	Echange Energie
Isolé	Non	Non
Fermé	Non	Oui
Ouvert	Oui	Oui

Tableau 1 : Echange de masse et d'énergie entre le système et le milieu extérieur.

Dans un système fermé, il n'y a pas de transfert de masse et dans un système isolé, il n'y a pas d'échange de travail ni de chaleur.

Fig. 6 : Différents types de systèmes ( )

I.1.2.2 Etat du système7(*)

L'état du système est défini ou décrit par ses variables macroscopiques (m, p, V, T, n...) dites aussi variables d'état. A un système donné est associé tout un ensemble d'états possibles.

On dit qu'un système est à l'état d'équilibre thermodynamique, si ces variables d'état ont des valeurs bien définies et constantes. On distingue alors selon le cas entre :

· variables ou grandeurs thermiques (p, V, T) ou calorifiques (U, H, W, Q, S)

· variables extensives c'est à dire proportionnelles à la quantité de matières telles (m, V, U...) ou variables intensives c'est à dire indépendantes de la masse.
On définit souvent des grandeurs massiques c'est à dire rapportées à l'unité de masse du système, telles :

· le volume massique : v = V/m en [m³/kg]

· l'énergie interne ou l'enthalpie massique : u = U/m ou h = H/m en [J/kg].

Ces grandeurs sont reliées entre elles par des relations, exemple :

m =rV ou q_m =rq_v (pour les débits massiques et volumiques)

Avec q_m = rwS  où w est la vitesse de l'écoulement du fluide

Et pour un écoulement stationnaire : r₁w₁S₁ = r₂w₂S₂  (équation de continuité).

I.1.2.3 Evolution ou transformation du système8(*)

Sous l'influence d'échanges ou transferts d'énergie entre le système et le milieu extérieur, le système évolue et les variables d'état du système sont modifiés. On dit que le système se transforme ou change d'état, en passant d'un état d'équilibre (1) à un autre état d'équilibre (2).

Fig. 7 : Transformation du système par échange d'énergie (apport de chaleur Q)

Au cours d'une transformation les variables d'état du système varient, pour atteindre un autre état d'équilibre. Le passage de l'état d'équilibre (1) à l'état d'équilibre (2) se déroule généralement hors équilibre.

On distingue alors entre (voir Fig.8) :

· transformations réversibles (ou idéales) : ce sont des transformations infiniment lentes formées d'une succession d'états d'équilibre

· transformations irréversibles : ce sont des transformations rapides et brutales hors équilibre

La réversibilité d'une transformation exige que le système passe par une infinité d'états intermédiaires différents peu d'états d'équilibre (états quasi-statiques). Les transformations naturelles spontanées sont irréversibles : elles ne peuvent évoluées que dans un seul sens (ex. la détente d'un gaz des HP vers BP, l'écoulement de la chaleur des HT vers BT...).

Fig. 8 : Transformations a) réversibles et b) irréversibles

* ⁶ G.LEMASSON, Les machines transformatrices d'énergie, Resistances passives Thermodynamique, p91

* ⁷ G.LEMASSON, Op.cit, p93

* ⁸ LUKAYA, N., Notes de cours de Physique Générale, inédit, UNIGOM, Fac. Sciences, 2009-2010