La parcelle d'air comme système thermodynamique
Dans les sciences physiques, et plus particulièrement en thermodynamique, un "système" est un milieu dont la description est considérée comme réalisable à l'aide d'un faible nombre de grandeurs, telles que leur connaissance définit l'"état" du système à chaque instant et permet d'évaluer les "échanges" de certaines quantités entre ce milieu et d'autres milieux à son contact, lesquels, étant décrits par les mêmes grandeurs, peuvent également être qualifiés de systèmes ; l'ensemble des systèmes au contact d'un système donné constitue un système particulier, l'"extérieur" du système en question. Si, au cours d'un intervalle de temps Δ t , les grandeurs définissant l'état d'un système restent constantes, ce dernier se trouve durant Δ t dans un "état d'équilibre" ; si aucun échange ne se produit au cours de Δ t entre un système et son extérieur, le système, pendant cet intervalle de temps, reste "isolé". La ou les relations qui lient éventuellement les grandeurs décrivant un système sont les "équations d'état" de ce système.
Une parcelle d'air peut être considérée comme un système atmosphérique décrit par les grandeurs scalaires p (sa pression atmosphérique), V (son volume), m (sa masse), T (sa température absolue) et r (son rapport de mélange). Elle admet alors comme équation d'état une variante de l'équation d'état des gaz parfaits dont l'expression est p V = m R a T V , où R a est une constante positive caractéristique de l'air sec et où la température virtuelle T V s'exprime elle-même en kelvins en fonction de T et de r . Comme pour tout système, les grandeurs qui dépendent des dimensions spatiales du milieu considéré (ici, V et m ) sont qualifiées de grandeurs extensives, et celles qui n'en dépendent pas (ici, p , T et r ) sont appelées grandeurs intensives ; quand 2 systèmes sont en contact, les grandeurs extensives du système qu'ils constituent ont pour valeurs les sommes des grandeurs extensives qui leur correspondent dans les 2 systèmes composants, ce qui n'est pas le cas des grandeurs intensives.
Il arrive souvent (surtout aux petites échelles spatio-temporelles) qu'une parcelle d'air se déforme rapidement et profondément lorsque le temps s'écoule, de sorte qu'il est préférable de la décrire en augmentant le nombre de grandeurs intensives aux dépens du nombre de grandeurs extensives : or, pour une parcelle de très petites dimensions, l'équation d'état citée plus haut s'écrit p = ( δm / δV ) R a T V , avec δm et δV très petits, ce qui explique que cette équation soit utilisée en météorologie sous la forme d'une relation entre grandeurs uniquement intensives, soit p = ρ R a T V , où ρ désigne la masse volumique de l'air.