Introduction
On peut dater les premiers développements de la thermodynamique des travaux de Carnot (1824) sur les machines thermiques, qui ont conduit par la suite aux énoncés des deux principes fondamentaux. La thermodynamique est donc dès le début l'expression de la confluence entre deux disciplines jusque là disjointes, à savoir la thermique et la mécanique.
Depuis, les applications de la thermodynamique se sont multipliées, de la mécanique à la chimie et à la biologie, en passant par l'électromagnétisme. Il ne s'agit pas à proprement parler d'une nouvelle science, mais bien plus d'un formalisme unificateur qui traite des transformations de l'énergie, sous toutes ses formes. L'histoire atteste d'ailleurs de cette position transversale : c'est ainsi que le premier principe de la thermodynamique fut énoncé presque simultanément par trois scientifiques, vers 1840 :
Von Mayer, un médecin qui se fondait sur des observations physiologiques pour justifier de l'équivalence entre travail, chaleur et énergie chimique ;
Joule, qui montra les équivalences entre énergie électrique et travail mécanique ;
Carnot, qui avait exploré la transformation de chaleur en travail.
Le second principe de la thermodynamique, que Carnot énonça paradoxalement avant le premier (à une époque où la nature exacte de la chaleur n'était pas encore comprise) traite de l'évolution des systèmes, en introduit la notion essentielle d'entropie. Sa lecture dans le cadre de la thermodynamique des phénomènes irréversibles en fait l'un des outils essentiels de la compréhension de l'évolution de l'univers et de la nature du temps : il est devenu l'une des bases de la réflexion philosophique moderne.
La conjonction des deux principes permet de définir de façon très rigoureuse des conditions d'équilibre d'un système, c'est à dire l'état vers lequel il évoluera en fonction des conditions extérieures qui lui sont imposées. La thermodynamique de l'équilibre est une discipline essentielle pour l'ingénieur, et a des applications dans tous les domaines industriels : toute installation industrielle produit ou consomme de l'énergie, et est le siège de phénomènes physico-chimiques qui évoluent vers un état d'équilibre qui peut être prédit par la thermodynamique.
Dans ce cours, nous ne traiterons que de la "thermodynamique de l'équilibre", que nous appliquerons plus particulièrement aux systèmes mécaniques et chimiques au sens large.