THERMODYNAMIQUE (notions de base)

Ordres de grandeur : le microscopique et le macroscopique

La thermodynamique ignore la structure atomique des objets qu'elle étudie. Certains de ses tenants allaient, à la fin du xix^e siècle, jusqu'à nier farouchement l'existence des atomes, tant la théorie s'en passait de façon élégante, et tant elle s'avérait puissante et efficace.

« L'hypothèse atomique » finit par s'imposer : nous savons aujourd'hui que les objets qui nous entourent sont faits de molécules et d'atomes ; nous connaissons aussi les lois selon lesquelles interagissent ces particules, et la mécanique quantique qui régit leur comportement. Il convient alors de distinguer deux ordres de grandeur de propriétés et de phénomènes : on qualifie de « macroscopiques » ceux qui concernent les objets à notre échelle et de « microscopiques » ceux qui regardent les atomes et molécules. Le facteur multiplicatif qui régit le passage du microscopique au macroscopique est le nombre d'Avogadro (N_A), qui vaut à peu près N_A ≈ 6 × 10²³.

C'est là le nombre de molécules qui composent certaine quantité macroscopique, appelée mole, d'une substance quelconque : une mole d'hydrogène a pour masse 2 grammes, une mole d'oxygène 32 grammes, une mole d'eau 18 grammes, etc. ; cette masse est celle que la chimie quantitative associe, dans les réactions, au symbole ou à la formule du corps pur (ici H₂, O₂, ou H₂O, respectivement). Ainsi, tout échantillon macroscopique d'un corps, quel qu'il soit, est fait d'un nombre gigantesque de molécules. Par exemple, un millimètre cube d'air contient, dans les conditions habituelles de pression et de température, 3 × 10¹⁶ molécules (soit 30 millions de milliards). Cherchons à spécifier l'état instantané de ce système – en mécanique newtonienne – ; il y faudra, pour chaque molécule, trois coordonnées d'espace (au minimum) et trois composantes de vitesse, soit environ deux cents millions de milliards de nombres en tout.