Deux variables d'état très courantes en thermodynamique : la température et la pression
Température
La notion de température est très liée à notre perception : des objets nous paraissent "chauds" ou "froids" au toucher, mais cette sensation est extrêmement subjective. Depuis longtemps, l'homme a appris à construire des thermomètres, qui permettent de donner une indication de la température. L'interprétation physique de la notion de température est par contre longtemps restée mystérieuse...
En fait, un système , même macroscopiquement au repos, est constitué de particules (atomes, molécules, ions) qui sont perpétuellement en mouvement (il s'agit soit de mouvements désordonnés dans le cas des fluides, soit d'oscillations autour d'une position d'équilibre dans le cas d'un réseau cristallin).
Fondamental :
Nous admettons que la température est une mesure macroscopique du degré d'agitation microscopique des particules du système : plus la température est élevée, plus l'agitation microscopique des particules est intense.
Même si la température est donc une mesure d'une vitesse, il ne s'agit que d'une vitesse microscopique de particules élémentaires, non d'une vitesse macroscopique au sens de la mécanique classique. La température est donc une variable d'état.
Pour mesurer des températures, les thermomètres les plus courants mettent à profit la dilatation d'un fluide, ou des effets électriques (variation de la résistivité électrique avec la température, thermocouples).
Les températures peuvent être repérées sur l'échelle Celsius (en °C) : le 0 de l'échelle correspond à la glace fondante, le 100 à l'eau bouillante (à la pression atmosphérique normale). Elles peuvent surtout être mesurées en Kelvin (K), la température en K étant égale à la température en °C à laquelle on rajoute 273,15 K.
La température en K est toujours positive : 0 K est la température la plus basse que l'on puisse concevoir. L'unité SI de température est le Kelvin, et si l'utilisation de l'échelle Celsius est encore tolérée, les échelles exotiques comme le degré Fahrenheit ou le Rankine sont à proscrire !
Pression
Une pression est définie comme une force par unité de surface, son unité SI est le Pa. En tout point d'un fluide, on peut mesurer une pression qui est égale à la force exercée par le fluide sur un élément de surface immergé dans le fluide. Les lois de l'hydrostatique indiquent que cette force est indépendante de l'orientation de l'élément de surface, mais dépend de la position de mesure (en particulier de la profondeur).
La pression exercée par un fluide sur un élément de mesure immergé est due au poids de la colonne de liquide se trouvant au dessus de l'élément de mesure. La pression hydrostatique à une profondeur \(h\) est donc :
où \(\rho\) est la masse volumique du fluide et \(g\) l'accélération de la pesanteur.
Cette relation est aussi mise à profit pour mesurer les pressions au moyen de manomètres à colonne de liquide, on utilise en particulier le mm Hg (mm de mercure) ou le mètre de colonne d'eau.
La notion de pression recouvre donc deux notions différentes :
la pression exercée par l'extérieur sur une paroi du système est une action extérieure : ce n'est pas une variable d'état, dans la mesure où les variables d'état doivent décrire le système lui-même, pas l'interaction de l'environnement avec le système ;
la pression à l'intérieur d'un système (en général d'un fluide) : il suffit de relier le système (ou un point du système) à un capteur pour y mesure la pression, il s'agit donc bien d'une variable d'état.
La pression se mesure en Pa (1 Pa=1 N/m2 ). Les autres unités courantes sont le bar (1 bar = 105 Pa), l'atmosphère (1 atm = 101325 Pa), le mm de colonne d'eau (1 mm colonne d'eau = 9,8 Pa) et le mm de mercure (760 mm Hg = 1 atm).