Systèmes Fermés

L'équilibre des systèmes fermés

Pour comprendre ce que sont les systèmes fermés, nous devons revoir les bases de l'équilibre chimique.

Rappelle-toi que de nombreuses réactions chimiques sont réversibles et se déroulent donc dans le sens inverse . Lorsque les taux de réaction dans le sens direct et dans le sens inverse sont égaux, la réaction a atteint l'équilibre chimique!

• \( \text{Réaction directe : A + B}\longrightarrow \text{C + D} \)

• \( \text{Reverse reaction: A + B} \longleftarrow \text{C + D} \)

• \( \text{Réaction d'équilibre : A + B} \longue flèche gauche \text{C + D} \)

Lorsque la concentration des produits est supérieure à celle des réactifs, on dit que l'équilibre se trouve à droite. Lorsqu'il y a plus de réactifs que de produits, l'équilibre se situe à gauche.

L'équilibre chimique peut être utilisé par les chimistes pour prédire le comportement des réactifs dans un système fermé ! Un système est simplement l'environnement étudié, et les types de transferts qui peuvent se produire dans un système sont le transfert de matière et le transfert d'énergie sous forme de travail et de chaleur.

• La chaleur est l'énergie qui fait augmenter la température d'un objet.
• Le travail est l'énergie qui fait bouger un objet qui a une masse.

Les réactifs et les produits constituent le système lorsqu'il s'agit de réactions chimiques dans un laboratoire, tandis que le récipient et tout le reste constituent l'environnement.

L'image ci-dessous montre le schéma de base d'un système et de son environnement.

Types de systèmes fermés

Les systèmes peuvent être classés en trois types en fonction des échanges d'énergie et de matière qui se produisent entre le système et son environnement :

• Système ouvert.

• Système isolé.

• Système fermé.

Commençons par parler des systèmes ouverts.

Par exemple, si tu fais bouillir une casserole d'eau et que tu la laisses à découvert, tu es en présence d'un système ouvert! Dans ce cas, la chaleur de la cuisinière pénètre dans le système, tandis que la vapeur d'eau est libérée dans l'environnement.

Ensuite, nous avons les systèmes isolés. Les systèmes isolés sont le contraire d'un système ouvert car aucun échange n'est autorisé dans ce système.

Un exemple courant de système isolé est un thermos isolé contenant du thé chaud. Cependant, comme le thé finit par refroidir, nous ne pouvons pas considérer ce système comme parfaitement isolé !

Lorsqu'il s'agit d'un système isolé, nous devons tenir compte de la loi de conservation de la masse. Cette loi nous dit que pour tout système isolé, la matière ne peut être ni créée ni détruite. La matière peut seulement changer de forme, mais elle est conservée.

Les systèmes isolés doivent également respecter la première loi de la thermodynamique . Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie ne peut être ni créée ni détruite dans un système isolé. Par conséquent, les chimistes peuvent déterminer d'où vient l'énergie et où elle va. Il est également vrai qu'un système isolé a une énergie totale constante, ce que l'on appelle la loi de conservation de l'énergie.

Définition des systèmes fermés

Voyons maintenant la définition d'un système fermé . Dans un système fermé, aucun réactif ou produit ne peut être ajouté ou retiré, seule l'énergie peut être transférée à l'intérieur ou à l'extérieur.

À titre d'exemple, pense à la réaction chimique entre l'hydrogène gazeux (H₂) et l'oxygène gazeux (_O2) pour former de l'eau (_H2O) qui se produit dans un système fermé (figure 4). Dans ce cas, le système est l'hydrogène et l'oxygène, tandis que la bouteille et tout le reste (y compris nous) constituent l'environnement.

Lorsque cette réaction se produit, de l'énergie est libérée dans l'environnement sous forme de travail et de chaleur. Cependant, la masse du système reste la même car il n'a ni gagné ni perdu de masse : la seule chose qui se produit est que la forme chimique de_H2 et O2_est convertie en_H2Opar la réaction.

$$ \text{2 H}_{2} (g) \text{ + O}_{2} (g)\text{ }\longrightarrow \text{2 H} _{2}\text{O}(g) \text{ + Énergie} $$

Les systèmes fermés en thermodynamique

En thermodynamique, l'accent est mis sur les interactions entre le système et l'environnement, et les systèmes fermés sont particulièrement intéressants. Nous allons donc nous pencher plus en détail sur les systèmes fermés et les réactions chimiques.

Lesréactions chimiques réversibles qui se produisent dans des systèmes fermés sont capables d'atteindre l'équilibre parce que les substances ne peuvent pas entrer ou sortir du système. Cependant, l'énergie est transférée vers ou depuis l'environnement.

• Si la réaction en avant est exothermique dans une réaction chimique réversible, la réaction en arrière sera endothermique (et vice versa !).

Par exemple, si le carbonate de calcium (_CaCO3) est chauffé dans un système fermé (par exemple, à l'intérieur d'un récipient fermé), la réaction finira par atteindre l'équilibre car aucun gaz_CO2 ne sera perdu dans l'environnement. La chaleur sera la seule chose transférée de l'environnement vers le système.

$$ \text{CaCO}_{3} (s) \rightleftharpoons \text{CaO} (s)\text{ + CO}_{2} (g) $$

Si cette réaction chimique avait lieu dans un système ouvert, le dioxyde de carbone (_CO2) se perdrait dans l'environnement.

Exemples de systèmes fermés

Maintenant que tu sais ce que sont les systèmes fermés, voyons un autre exemple. Supposons que tu te trouves dans un laboratoire et qu'on te demande d'effectuer une réaction chimique entre une solution de chlorure de calcium (_CaCl2) et une solution de sulfate de sodium (_Na2SO4) dans un système fermé. Si tu as 180 grammes de réactifs, quelle devrait être la masse des produits ?

Cette réaction chimique forme du sulfate de calcium (_CaSO4) et du chlorure de sodium (NaCl) comme produits. Et comme la réaction chimique s'est produite dans un système fermé, la masse des produits devrait être égale à la masse des réactifs. Souviens-toi : chaque fois qu'un système fermé est présent, cela signifie que seule l'énergie peut être transférée entre le système fermé et son environnement.

$$ \text{CaCl}_{2}\text{ + Na}_{2}\text{SO}_{4} \longrightarrow \text{CaSO}_{4} \N- + 2 NaCl} $$

Systèmes fermés et systèmes ouverts

Enfin, passons en revue la différence entre un système ouvert, un système isolé et un système fermé. Dans un système ouvert, le transfert de matière et d'énergie peut avoir lieu entre le système et son environnement, alors que dans un système isolé, ni l'énergie ni la matière ne peuvent être échangées avec l'environnement. Dans un système fermé, seul l'échange d'énergie peut avoir lieu entre le système et son environnement.

Maintenant, j'espère que tu as pu comprendre ce que sont les systèmes fermés !