Alors, sans plus attendre, plongeons-nous dans les lois de la thermodynamique.
- Ici, nous parlerons des différentes lois de la thermodynamique.
- Nous examinerons également leurs propriétés et quelques exemples.
Introduction aux lois de la thermodynamique
Avant d'entamer une discussion sur les lois de la thermodynamique, nous allons d'abord définir ce que sont les systèmes thermodynamiques.
Un système thermodynamique est un corps de matière, qui se trouve dans un certain état thermodynamique, confiné dans l'espace par un contenant qui sépare le corps de l'environnement extérieur. Le corps matériel contiendra nécessairement de nombreuses particules.
État thermodynamique - état d'un système thermodynamique, à un moment précis, qui est entièrement spécifié par des variables d'état, des paramètres et des constantes.
Univers - composé d'un système thermodynamique et de son environnement extérieur.
Types de systèmes thermodynamiques
Il existe trois types différents de systèmes thermodynamiques :
Système thermodynamique ouvert - une partie ou la totalité de la matière provenant de l'environnement peut s'écouler dans un système ouvert ; la chaleur peut également circuler à travers les parois du récipient d'un système ouvert.
Système thermodynamiquefermé - la matière provenant de l'environnement extérieur ne peut pas s'écouler dans un système fermé ; cependant, la chaleur peut traverser les parois du récipient d'un système fermé.
Système thermodynamique isolé - les matières provenant de l'environnement ne peuvent pas pénétrer dans un système isolé ; la chaleur ne peut pas traverser les parois du récipient d'un système isolé.
Propriétés des systèmes thermodynamiques
Maintenant, plongeons-nous dans les propriétés des systèmes ouverts, fermés et isolés.
1. Systèmes ouverts:
Ont des parois de récipient qui échangent de la chaleur et des particules avec l'environnement.
À l'équilibre thermique, un système ouvert ne maintient pas de différence de température entre lui et l'environnement.
Permettent l'échange de matière avec l'environnement. Les parois des systèmes ouverts sont perméables à au moins une ou plusieurs substances chimiques provenant de l'environnement.
Figure 1 : Système thermodynamique ouvert.
2. Systèmes fermés:
Ont des parois de récipient qui peuvent échanger de la chaleur ; ne peuvent pas échanger de particules avec l'environnement.
Les systèmes fermés avec un seul type de particule (atome ou molécule) contiennent un nombre constant de particules à l'intérieur du récipient.
Pour les systèmes comportant plus d'un type de particules, les réactions chimiques peuvent transformer ces particules en particules de masses différentes, mais le nombre total d'atomes composant ces particules restera constant à l'intérieur du récipient.
Figure 2 : Système thermodynamique fermé.
3. Systèmes isolés :
Ont des parois de contenant qui ne peuvent pas échanger de chaleur avec l'environnement ; ne peuvent pas échanger de particules avec l'environnement.
N'interagit en aucune façon avec l'environnement.
Figure 3 : Système thermodynamique isolé.
Vue d'ensemble des lois de la thermodynamique
Maintenant que nous savons ce qu'est la thermodynamique et les types de systèmes qui existent, concentrons-nous sur les lois de la thermodynamique. Mais d'abord, jette un coup d'œil à la définition de l'équilibre thermique.
Équilibre thermique - deux objets (systèmes fermés) initialement à des températures différentes, qui sont en contact physique, finiront par être à la même température si l'on dispose de suffisamment de temps.
Il existe quatre lois fondamentales de la thermodynamique :
La loi Zéro de la thermodynamique - Selon cette loi, lorsqu'un système fermé à une température plus élevée interagit avec un système fermé à une température plus basse, l'énergie sous forme de chaleur se transfère au système fermé qui est à une température plus basse jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint.
Première loi de la thermodynamique - La première loi de la thermodynamique stipule que l'énergie totale de l'univers reste constante.
Deuxième loi de la therm odynamique - La deuxième loi stipule que le désordre de l'univers, d'un système et de son environnement, augmente toujours pour un processus qui se produit naturellement, c'est-à-dire sans apport de matière ou d'énergie extérieure dans le système.
Troisième loi de la thermodynamique - La troisième loi de la thermodynamique stipule que le désordre d'un système se rapproche de zéro lorsque la température se rapproche de zéro.
Explication des lois de la thermodynamique
Explorons un peu plus ces lois de la thermodynamique.
La Zeroth Law of Thermodynamics (loi zéro de la thermodynamique) :
Considère l'expérience suivante, tu attrapes deux canettes de ta boisson préférée. Tu prends une canette dans un congélateur et l'autre au sommet d'une table de pique-nique exposée à la chaleur du soleil. Tu attaches ces deux canettes ensemble avec du ruban adhésif et tu attends environ 30 minutes. Que penses-tu qu'il va se passer ? Les deux boîtes vont-elles devenir plus chaudes, vont-elles toutes les deux se refroidir, ou vont-elles atteindre la même température qui se situe quelque part entre les deux ?
Tu connais probablement déjà la réponse : les boîtes atteindront la même température, entre le chaud et le froid. Cette observation peut être reformulée de la façon suivante :
Lorsqu'un objet à une température plus élevée interagit physiquement avec un objet à une température plus basse, l'objet à une température plus élevée transfère de l'énergie, sous forme de chaleur, à l'objet à une température plus basse.
En l'absence de pertes dans l'environnement, les deux objets, qui sont en contact physique, atteindront la même température.
On dit que les objets sont en équilibre thermique lorsqu'ils atteignent tous deux la même température.
L'équilibre thermique est lié à la loi Zéro de la thermodynamique par l'énoncé suivant,
"Si un corps C, est en équilibre thermique avec deux autres corps, A et B, alors A et B sont en équilibre thermique l'un avec l'autre." Max Planck - Théorie du rayonnement thermique (1914).
La première loi de la thermodynamique
Passons maintenant à la première loi de la thermodynamique. Mais d'abord, quelques définitions pertinentes.
Travail thermodynamique - énergie sous forme de travail qui est transférée par le système au milieu extérieur. Cette énergie de travail entraîne des changements dans les variables macroscopiques de l'environnement, telles que la pression externe, le volume externe, la température externe, etc.
Énergie interne - l'énergie, U, contenue dans un système thermodynamique (système ouvert, système fermé et système isolé) qui est utilisée pour préparer ou créer un état thermodynamique.
Il peut sembler étrange de dire que "l'énergie totale de l'univers reste constante" selon la première loi de la thermodynamique. Néanmoins, cette affirmation est toujours correcte et aucun phénomène violant cette loi n'a jamais été observé dans l'ensemble de l'univers. La première loi de la thermodynamique est également appelée loi de la conservation de l'énergie et peut s'énoncer mathématiquement comme suit :
$$\Delta{U}=Q-W$$
où ,
- ΔU est le changement d'énergie interne dans un système fermé
- Q est l'énergie fournie au système
- W est la quantité de travail thermodynamique effectué par le système sur l'environnement.
Pour mieux comprendre, nous allons décomposer chaque variable.
État thermodynamique - état d'un système thermodynamique déterminé par les paramètres de l'état d'équilibre tels que la pression du système, le volume du système, la température du système, etc.
Variables d'état - variable indépendante d'une fonction d'état. Les exemples de variables d'état sont l'énergie interne, l'enthalpie du système, la température du système, la pression du système et le volume du système.
1. Notons que la loi de la conservation de l'énergie (première loi de la thermodynamique) ne concerne que la mesure de la différence entre l'énergie interne finale, Uf , et l'énergie interne initiale, Ui, d'un système :
$$\Delta{U}=U_f-U_i$$
- La différence d'énergie interne, ΔU, est calculée entre un état de référence, Ui, (c'est-à-dire dans des conditions standard) et un état thermodynamique final, Uf .
- La différence d'énergie interne, ΔU, est un exemple de fonction d'état thermodynamique.
- Une fonction d'état ne dépend que des états initial et final et ne se préoccupe pas du chemin emprunté par le système pour passer de l'état initial à l'état final.
2. L'énergie fournie au système, Q, est l'énergie transférée au système par le milieu extérieur. Le tableau suivant présente les types d'énergie provenant de l'environnement pour divers systèmes thermodynamiques :
Type d'énergie provenant de l'environnement, Q | |||
Type de système thermodynamique | Débit de masse | Travail | Chaleur |
Système ouvert | ✔ | ✔ | ✔ |
Système fermé | ✖ | ✔ | ✔ |
Système isolé | ✖ | ✖ | ✖ |
3. Le travail thermodynamique, W, effectué par le système sur l'environnement extérieur peut provenir des changements de volume du système, des changements de température du système qui entraînent un autre système dans l'environnement et des augmentations de pression dans le système qui sont transférées aux autres systèmes dans l'environnement.
La deuxième loi de la thermodynamique :
Nous commençons notre discussion sur la deuxième loi de la thermodynamique par une définition du désordre d'un système :
Entropie, S - une fonction d'état qui calcule le désordre moléculaire d'un système thermodynamique.
Fonction d'état - une fonction mathématique qui prend les variables d'état comme entrée pour calculer une fonction d'état pour les états d'équilibre. La chaleur instantanée et le travail instantané ne sont pas des fonctions d'état mais des fonctions de processus. (voir la note ci-dessous pour une explication plus détaillée de ce concept)
Variables d'état - variables indépendantes d'une fonction d'état. Les exemples de variables d'état sont l'énergie interne, l'enthalpie, la température du système, la pression du système et le volume du système.
Changement spontané - processus qui se produit naturellement sans apport de matière ou d'énergie externe dans le système.
Remarque: une fonction d'état est une formule mathématique qui prend une variable d'état comme entrée et inclut généralement aussi des paramètres et des constantes d'état d'équilibre. Par exemple, considérons la loi des gaz idéaux, où nous voulons calculer le changement de température d'un système thermodynamique à l'équilibre chimique : $$\Delta{T} =\frac{V\cdot \Delta{P}}{nR}$$.
Supposons en outre que pour ce système thermodynamique particulier, le volume du système, V, et le nombre de moles, n, ne changent pas à l'équilibre. Ainsi, le volume et le nombre de moles pour cet état thermodynamique ne varient plus mais sont devenus des paramètres du système.
Il ne nous reste donc plus que la pression du système, ΔP=Pf -Pi, à faire varier. Dans ce cas, la pression du système est la variable d'état. La variable d'état, ΔP, est utilisée comme entrée pour calculer la fonction d'état pour le changement de température, ΔT= Tf -Ti. Enfin, que la constante des gaz est, R. Considérons maintenant la différence entre les fonctions d'état et les fonctions de processus :
Une fonction d'état ne dépend que des états initial et final et ne se préoccupe pas du chemin emprunté par le système pour passer de l'état initial à l'état final. Des exemples de fonctions d'état sont la température du système, la pression du système et le volume.
Une fonction de processus dépend du chemin parcouru entre l'état initial et l'état final. La chaleur instantanée et le travail instantané sont des exemples de fonctions de processus.
À ce stade, nous sommes maintenant en mesure de formuler mathématiquement l'entropie d'un changement spontané dans un système isolé :
$$\Delta{S_{tot}}=S_f-S_i\,>\,0$$
où ,
L'entropie initiale de l'environnement et du système isolé est Si
L'entropie finale de l'environnement et du système isolé est Sf
L'entropie totale du système et de l'environnement estStot.
Remarque que la différence d'entropie est une fonction d'état. En particulier, pour les systèmes isolés subissant un changement spontané, la formule de l'entropie est équivalente à la deuxième loi de la thermodynamique.
Deuxième loi de la thermodynamique : l'entropie totale de l'univers, de l'environnement et du système isolé ne peut qu'augmenter au cours d'un processus spontané.
$$\Delta{S_{tot}}=S_f-S_i\,>\,0$$
Il existe différentes formes de la deuxième loi de la thermodynamique pour différents systèmes et différentes conditions. Nous en aborderons quelques-unes dans la section "Exemples de lois de la thermodynamique".
La troisième loi de la thermodynamique :
Enfin, nous énonçons la troisième loi de la thermodynamique :
"Le changement d'entropie accompagnant toute transformation physique ou chimique s'approche de zéro lorsque la température s'approche de zéro : ΔS → 0 lorsque T → 0." Peter Atkins, Physical Chemistry, 1998.
Voici quelques implications de la troisième loi de la thermodynamique :
Lorsque la température d'un système thermodynamique approche zéro Kelvin, l'entropie du système approche également zéro et le mouvement des particules dans le système s'arrête.
Lorsque l'entropie du système s'approche de zéro, l'énergie cinétique du système s'approche de zéro.
Un système dont l'entropie est nulle ne contient que de l'énergie potentielle.
Exemples de lois de la thermodynamique
Voyons maintenant quelques exemples impliquant les lois de la thermodynamique.
1. L'énergie libre de Gibbs : La quantité d'énergie, G , qui est libre d'effectuer un travail sur un système thermodynamique.
L'énergie libre, G , est une mesure de la capacité d'un système thermodynamique à provoquer un changement à l'intérieur du système. Ce changement, ou travail utile, peut prendre la forme de la force motrice d'une réaction chimique, d'un changement de phase, d'un changement de la chaleur absorbée par le système, etc.
Force motrice chimique - la force qui provoque une réaction chimique. Toutes les réactions chimiques impliquent une force qui conduit le système à l'équilibre chimique.
Enzyme - protéine présente dans les systèmes vivants qui facilite une réaction biochimique.
Métabolisme - processus de vie impliquant des réactions biochimiques qui maintiennent l'état vivant.
Enthalpie (Enthalpie de formation), H - cette grandeur thermodynamique équivaut à l'énergie potentielle qui est stockée sous forme de chaleur dans les liaisons chimiques d'un composé.
L'équation de l'énergie libre de Gibbs s'applique aux systèmes thermodynamiques à l'équilibre chimique qui sont également à température et pression constantes. Mathématiquement :$$G=H-TS$$
où
L'énergie libre de Gibbs est G
L'enthalpie est H
La température du système est T
L'entropie du système est S.
Comme pour l'enthalpie, H , l'énergie libre de Gibbs et l'entropie du système ne peuvent pas être mesurées directement. Seule la différence d'énergie libre de Gibbs peut être mesurée pour un système donné :
$$\Delta{G}=\Delta{H}-T\Delta{S}$$
où ,
ΔG est la différence d'énergie libre de Gibbs
ΔH est la différence d'enthalpie
T est la température du système
ΔS est la différence d'entropie du système. Ainsi, l'énergie libre de Gibbs est une fonction d'état.
Par exemple, l'énergie libre de Gibbs associée à l'hydrolyse de l'adénosine tri-phosphate (ATP) L'adénosine tri-phosphate (ATP) est un produit biochimique extrêmement important. Ton corps fonctionne grâce à l'énergie libérée lors de l'hydrolyse de l'ATP qui est catalysée par une variété d'enzymes dans ton corps. En fait, ton corps produit et hydrolyse environ ton propre poids en ATP chaque jour afin de maintenir ton état de vie.
L'énergie libre de Gibbs standard pour l'hydrolyse de l'ATP est : $$ATP+H_2O \rightarrow ADP-OH+P_i+H^+$$ où les produits sont l'adénosine di-phosphate, ADP-OH , le phosphate inorganique, Pi , et un ion hydronium, H+.
L'énergie libre de Gibbs libérée au cours de cette réaction est : $$\Delta{G^{\circ}}=-31\frac{kJ}{mol}$$.
On peut maintenant se demander : "Pourquoi les lois de la thermodynamique sont-elles importantes ?" La thermodynamique montre que l'hydrolyse de l'ATP libère une grande quantité d'énergie libre qui est utilisée par l'organisme pour entraîner les réactions métaboliques qui maintiennent l'état vivant.
Les lois de la thermodynamique simplifiées
Pour finir, réalisons un tableau résumant les lois de la thermodynamique de manière simplifiée.
| Les lois de la thermodynamique | Énoncé |
| Zéro loi de la thermodynamique | "Si un corps C, est en équilibre thermique avec deux autres corps, A et B, alors A et, B, sont en équilibre thermique l'un avec l'autre." |
| Première loi de la thermodynamique | \(\Delta{U}=Q-W\) |
| Deuxième loi de la thermodynamique | \(\Delta{S_{tot}}=S_f-S_i\,>\,0\) |
| Troisième loi de la thermodynamique | "Le changement d'entropie accompagnant toute transformation physique ou chimique s'approche de zéro lorsque la température s'approche de zéro : ΔS → 0 lorsque T → 0." |
Les lois de la thermodynamique - Principaux points à retenir
- Zéro loi de la thermodynamique - "Si un corps C est en équilibre thermique avec deux autres corps, A et B, alors A et B sont en équilibre thermique l'un avec l'autre."
- Première loi de la thermodynamique - l'énergie totale de l'univers reste constante : \(\Delta{U}=Q-W\)
- Deuxième loi de la thermodynamique - l'entropie totale de l'univers, de l'environnement et du système isolé ne peut qu'augmenter au cours d'un processus spontané : \(\Delta{S_{tot}}=S_f-S_i\,>\,0\)
- Troisième loi de la thermodynamique - "Le changement d'entropie accompagnant toute transformation physique ou chimique s'approche de zéro lorsque la température s'approche de zéro : ΔS → 0 lorsque T → 0."
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