Thermodynamique

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La thermodynamique est une branche de la chimie. C'est la science qui étudie la manière dont l'énergie sous toutes ses formes se comporte entre tous ses supports. En pratique, c'est grâce à la thermodynamique que l'on peut savoir si une réaction sera spontanée avant de l'avoir expérimentée.

C'est aussi la science des grands systèmes (plutôt un litre d'eau que quelques milliers de molécules) et de la transition entre deux états d'équilibre.

Il faut noter que si le formalisme de la thermodynamique est compliqué, les calculs mathématiques à faire sont relativement simples, utilisant le plus souvent les quatre opérations de bases et des équations à une inconnue[1].

Principes

La thermodynamique est basée sur des principes, c'est-à-dire des affirmations (postulats) non démontrées mais dont les conséquences logiques sont observables.

Principe zéro

Le principe zéro de la thermodynamique dit que si un système A est en équilibre par rapport à un système B et si B est en équilibre avec un système C alors A est en équilibre avec C

Premier principe

L'énergie se conserve. Dans un système isolé, quelles que soient les réactions qui s'y déroulent, l'énergie totale du système ne varie pas.

Second principe

L'entropie ne peut qu'augmenter. Ainsi, même dans un système isolé, une partie de l'énergie se dissipera sous forme d'entropie.

Notions

Système thermodynamique

Un système thermodynamique est une région de l'espace qui contient un corps. Ce système est délimité par une frontière et tous ce qui n'est pas dans ce système est appelés l’extérieur. Un système isolé est un système isolé de l'extérieur et n'échange donc rien avec l'extérieur.

Variables d'état

Les six variables de base de la thermodynamique aussi appelées variables d'état de la thermodynamique sont la pression, le volume, la température, la masse, le nombres de moles et la masse volumique.

On classe ses six variables en deux catégorie: variable intensive et variable extensive

Équilibre thermodynamique

Un système isolé finit par atteindre un état dans lequel les variables d'état ne varient pas. Cela s’appelle l'état d'équilibre du système. Par exemple, si l'on met de l'eau à 20 °C dans un récipient d'eau à 40°, il arrive un moment où l'eau à 20° chauffe jusqu'à 40°, c'est cela qu'on appelle l'état d’équilibre.

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Le travail

Le travail est une forme d'énergie. C'est le fait qu'on puisse tirer un travail mécanique à partir d'une réaction chimique. C'est ce qui se passe dans le moteur d'une voiture ! Le travail est alors une valeur algébrique

La chaleur

La chaleur est la forme d'énergie dont on ne tire pas de travail : cette énergie va changer la température du système. La chaleur est une valeur algébrique.

La température

La température d'un système définit son état d'équilibre. Une réaction qui est spontanée à une température ne le sera pas forcément à une autre. Par exemple : de l'eau sous forme de glaçon, si on la place à 20 °C va redevenir liquide spontanément. Mais le même glaçon placé à -10 °C restera solide : sa liquéfaction ne sera pas spontanée.

L'activité

Une réaction chimique n'est spontanée que si l'activité des corps concernés est adaptée. Cette notion est en général remplacée par la concentration d'un soluté ou la pression d'un gaz. Par exemple : de l'eau sous forme liquide va avoir tendance à s'évaporer si elle est dans un environnement sec. Mais si l'air est saturé en humidité, l'eau liquide ne s'évaporera pas : la présence d'une forte pression de vapeur d'eau va ralentir ou empêcher la réaction d'évaporation.

Notes

  1. Donc du niveau de la fin du collège. Par contre, les démonstrations utilisent des dérivées partielles, qui elles ne sont abordées qu'au lycée.
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