Un système thermodynamique comprend tout ce dont les propriétés thermodynamiques présentent un intérêt.

Il est intégré à son environnement ou à son milieu ; il peut échanger de la chaleur avec son environnement et travailler sur lui grâce à une limite, qui est le mur imaginaire qui sépare le système et l'environnement. En réalité, l'environnement immédiat du système interagit directement avec lui et a donc une influence beaucoup plus forte sur son comportement et ses propriétés. Par exemple, si nous étudions un moteur de voiture, l'essence qui brûle à l'intérieur du cylindre du moteur est le système thermodynamique ; le piston, le système d'échappement, le radiateur et l'air extérieur forment l'environnement du système. La limite est alors constituée par les surfaces intérieures du cylindre et du piston.

La figure a illustre le concept de système. Une limite sépare le système, à l'intérieur de la limite, de l'environnement, à l'extérieur de la limite. La figure b est une illustration schématique d'un cylindre de moteur comme exemple d'un système spécifique. Le système est le gaz à l'intérieur du piston. La limite est constituée du corps du cylindre contenant le gaz et du piston qui coiffe le cylindre au sommet. L'environnement est constitué de tout ce qui se trouve à l'extérieur du cylindre et au-dessus du piston.

a) Un système, qui peut comprendre tout processus ou toute valeur pertinents, est autonome dans un domaine. L'environnement peut également contenir des informations pertinentes ; toutefois, il n'est important d'étudier l'environnement que si la situation est un système ouvert. (b) L'essence qui brûle dans le cylindre d'un moteur de voiture est un exemple de système thermodynamique.

Normalement, un système doit avoir des interactions avec son environnement. Un système est dit isolé et fermé s'il est complètement séparé de son environnement - par exemple, un gaz qui est entouré de parois immobiles et thermiquement isolantes. En réalité, un système fermé n'existe pas si l'univers entier n'est pas traité comme le système, ou s'il n'est pas utilisé comme modèle pour un système réel qui a des interactions minimales avec son environnement. La plupart des systèmes sont connus sous le nom de système ouvert, qui peut échanger de l'énergie et/ou de la matière avec son environnement.

(a) Cette bouilloire à thé bouillante est un système thermodynamique ouvert. Elle transfère la chaleur et la matière (vapeur) à son environnement. (b) Un autocuiseur est une bonne approximation d'un système fermé. Un peu de vapeur s'échappe par la soupape supérieure pour éviter l'explosion. (crédit a : modification du travail de Gina Hamilton ; crédit b : modification du travail de Jane Whitney)

Lorsque nous examinons un système thermodynamique, nous ignorons la différence de comportement d'un endroit à l'autre à l'intérieur du système pendant un moment donné. En d'autres termes, nous nous concentrons sur les propriétés macroscopiques du système, qui sont les moyennes des propriétés microscopiques de toutes les molécules ou entités du système. Tout système thermodynamique est donc traité comme un continuum qui a le même comportement partout à l'intérieur. Nous supposons que le système est en équilibre. Vous pourriez, par exemple, avoir un gradient de température à travers le système. Cependant, lorsque nous discutons d'un système thermodynamique dans ce chapitre, nous étudions ceux qui ont des propriétés uniformes dans tout le système.

Avant de pouvoir mener une étude sur un système thermodynamique, nous devons procéder à une caractérisation fondamentale du système. Lorsque nous étudions un système mécanique, nous nous concentrons sur les forces et les couples qui s'exercent sur le système, et leurs équilibres dictent l'équilibre mécanique du système. De la même manière, nous devrions examiner le transfert de chaleur entre un système thermodynamique et son environnement ou entre les différentes parties du système, et son équilibre devrait dicter l'équilibre thermique du système. Intuitivement, un tel équilibre est atteint si la température devient la même pour les différents objets ou parties du système en contact thermique, et si le transfert net de chaleur au fil du temps devient nul.

Ainsi, lorsque nous disons que deux objets (un système thermodynamique et son environnement, par exemple) sont en équilibre thermique, nous voulons dire qu'ils sont à la même température, comme nous l'avons vu dans Température et chaleur. Considérons trois objets à des températures T1, T2 et T3, respectivement. Comment savons-nous s'ils sont en équilibre thermique ? Le principe directeur est ici la loi zéro de la thermodynamique, telle que décrite dans Température et chaleur sur la température et la chaleur :

Si l'objet 1 est en équilibre thermique avec les objets 2 et 3, respectivement, alors les objets 2 et 3 doivent également être en équilibre thermique.

Mathématiquement, nous pouvons simplement écrire la loi de zéro de la thermodynamique comme

If T₁=T₂ and T₁₌T_{3, then}T₂₌T_3.

C'est la façon la plus fondamentale de définir la température : Deux objets doivent être à la même température thermodynamiquement si le transfert net de chaleur entre eux est nul lorsqu'ils sont mis en contact thermique et ont atteint un équilibre thermique.

La loi zéro de la thermodynamique s'applique de la même manière aux différentes parties d'un système fermé et exige que la température soit la même partout à l'intérieur du système si celui-ci a atteint un équilibre thermique. Pour simplifier notre discussion, nous supposons que le système est uniforme avec un seul type de matériau - par exemple, l'eau dans un réservoir. Les propriétés mesurables du système comprennent au moins son volume, sa pression et sa température. L'éventail des variables spécifiques pertinentes dépend du système. Par exemple, pour un élastique étiré, les variables pertinentes seraient la longueur, la tension et la température. La relation entre ces trois propriétés de base du système est appelée l'équation d'état du système et s'écrit symboliquement pour un système fermé comme

f(p,V,T)=0,

où V, p et T sont le volume, la pression et la température du système à une condition donnée.

En principe, cette équation d'état existe pour tout système thermodynamique mais n'est pas toujours facilement disponible. Les formes de f(p,V,T)=0 pour de nombreux matériaux ont été déterminées soit expérimentalement soit théoriquement. Dans le chapitre précédent, nous avons vu un exemple d'équation d'état pour un gaz idéal,, f(p,V,T)=pV−nRT=0.

Nous avons jusqu'à présent introduit plusieurs propriétés physiques qui sont pertinentes pour la thermodynamique d'un système thermodynamique, comme son volume, sa pression et sa température. Nous pouvons séparer ces quantités en deux catégories génériques. La quantité associée à une quantité de matière est une variable étendue, telle que le volume et le nombre de moles. Les autres propriétés d'un système sont des variables intensives, telles que la pression et la température. Une variable extensive double sa valeur si la quantité de matière dans le système double, à condition que toutes les variables intensives restent les mêmes. Par exemple, le volume ou l'énergie totale du système double si nous doublons la quantité de matière dans le système tout en maintenant la température et la pression du système inchangées.

D'après Thermodynamic Systems.