Apport de la thermodynamique à la compréhension des processus métamorphiques

CHAP I .GENERALITES SUR LA THERMODYNAMIQUE ET LE METAMORPHISME

I.1. THERMODYNAMIQUE

I.1.1. Généralités2(*)

La thermodynamique est une science qui étudie et décrit le comportement de la matière ou des systèmes, en fonction des notions de la température T, de l'énergie (chaleur Q, travail W...) et d'entropie S. La thermodynamique :

· étudie l'évolution ou les transformations de la matière ou des systèmes en considérant les variations d'état du système, lors d'échanges d'énergie entre le milieu extérieur et le système.

· repose sur deux notions de base, l'énergie interne (U) et l'entropie (S) qui satisfont aux deux principes suivants, qui stipulent que :

o l'énergie se conserve (premier principe de conservation de l'énergie)

o l'entropie ne peut qu'augmenter (deuxième principe d'évolution)

L'objet de la thermodynamique est d'étudier le fonctionnement et le bilan d'énergie des machines thermiques et aussi les échanges ou transferts de chaleur dans un système ou entre deux systèmes.

· dans les machines thermiques on assiste à une conversion d'énergie d'une forme en une autre (chaleur -> travail ou inversement)

· dans les échanges de chaleur, il y a transfert de chaleur par suite d'une différence de température dans le système ou entre deux systèmes.

Exemple 1 : dans les machines thermo-dynamiques (TD), il y production de travail par conversion de chaleur en travail (les moteurs thermiques, les centrales thermiques ou nucléaires...)

Exemple 2 : dans les machines dynamo-thermiques (DT) par contre, il y a transfert de chaleur d'une source froide à une source chaude grâce à un apport de travail (les machines frigorifique et pompes à chaleur, les liquéfacteurs...).

On distingue entre quatre principaux mécanismes de transfert de chaleur : la conduction, la convection, le rayonnement et les changements d'état de la matière. Les applications de ces transferts de chaleur concernent les domaines :

· de l'isolation thermique et du stockage des gaz liquéfiés (cryogénie)

· du chauffage et de la climatisation des locaux

· de la conception et du choix des échangeurs de chaleur

On peut décrire la thermodynamique de deux manières ou aspects différents :

· l'aspect macroscopique : on s'intéresse aux propriétés de la matière ou du système à l'échelle globale ou macroscopique, alors les propriétés sont décrites par des variables d'état macroscopiques telles ( p, V, T, m...)

· l'aspect microscopique : on s'intéresse aux propriétés de la matière à l'échelle microscopique ou atomique en utilisant comme variables les grandeurs cinétiques des atomes ou molécules individuelles (p_i, vi, Ei ...)

Selon que l'on considère l'un ou l'autre de ces aspects, on distingue alors entre la Thermodynamique Classique ou la Thermodynamique Statistique.

La Thermodynamique Classique n'a besoin d'aucune hypothèse sur la structure atomique de la matière, elle explique le comportement de la matière ou des systèmes en fonction de leurs variations d'énergie et d'entropie :

· elle décrit uniquement les états initiaux et finaux des systèmes en évolution et dresse le bilan énergétique du système

· le chemin suivi par la transformation du système peut jouer un rôle (notion de réversibilité des transformations)

· elle ne cherche pas à élucider les mécanismes des transformations

La Thermodynamique Statistique par contre, cherche à expliquer l'origine et la signification des variables macroscopiques (p,T) et des notions de chaleur, de travail et d'entropie, en les reliant directement au mécanisme de l'agitation moléculaire. Ainsi, on explique les notions de température, de pression et de chaleur :

Ø Notion de température^3(*) :

La température est reliée au degré d'agitation moléculaire de la matière. Si la vitesse v_i des molécules et donc leur énergie cinétique E_i augmentent, alors le degré d'agitation thermique du milieu est plus grand. A la température de 0 K (zéro absolu à -273°C) les atomes ou molécules sont figés.

Fig. 1. : Gaz dans une enceinte

- Les molécules se déplacent dans l'enceinte de façon totalement aléatoire avec des vitesses v_i

On définit la température T par la relation : 1/2 mv² = 3/2 kT (formule 1)

Cette relation définit l'échelle de température absolue T en degré K.

Ø Notion de pression^4(*)

La pression est due aux nombreux chocs des atomes ou molécules sur les parois du récipient.

Fig.2 : Pression dans une enceinte

- Dans l'enceinte il y a N molécules en agitation permanente soit, n' = N/V le nombre de molécules par unité de volume.

On définit la pression par la relation : p = 1/3 n'mv² (formule 2)

Ø Echanges d'énergie^5(*)

Les échanges d'énergie sous forme de chaleur (Q) ou de travail (W) sont alors interprétés à l'échelle microscopique comme une manifestation de l'agitation moléculaire sous forme désordonnée (Q) ou ordonnée (W), voir Fig. 3 et 4.

T2?T1 Fig.3 : Transfert de chaleur Q

Fig.4 : Transfert de travail W par un piston

Ø Unités :

- Système MKS (ou SI)

· temps en [s]

· température en degré [K], avec T [K] = t °C + 273

· pression en Pascal [Pa] ou [N/m²]
p = [Pa] = [N/m²] et 1bar = 10⁵ Pa = 750 Torr

· l'énergie en Joule [J], et 1cal = 4,184 Joules

· la puissance P en Watt [W], et 1W = 1J/s.

* ² G. FAVERJON, Thermodynamique, Cours, Méthodes, Ed. Bréal, 2003,

* ³ G. FAVERJON, Op.cit, p12

* ⁴ G. FAVERJON, Op.cit, p13

* ⁵ G. FAVERJON, Op.cit, pp14-15