Les principes de la thermodynamique PDF - CM1 Thermochimie

Les principes de la thermodynamique Chapitre 1: Le 1er principe de la thermodynamique: Systèmes , variables d’états, équilibre thermodynamique. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 1  Compétenc...

Les principes de la thermodynamique Chapitre 1: Le 1er principe de la thermodynamique: Systèmes , variables d’états, équilibre thermodynamique. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 1  Compétences générales des cours de thermochimie Connaitre, maitriser et appliquer les trois principes de la thermodynamique chimique. Définir et calculer l’Energie libre et l’enthalpie libre ainsi que le potentiel chimique. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 2 Plan du cours - Rappel sur la notion de système et grandeurs et variables d’état (travail à réaliser seul à la maison) - Chaleur et travail échangés lors d’une transformation thermodynamique. (travail à réaliser seul à la maison) - Energie interne. - Premier principe de la thermodynamique - Notion d’Enthalpie. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 3 Introduction d’un état initial à un état final. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 4  Les objectifs de la thermodynamique Exemple : Une chaudière émet de la vapeur d’eau dont l’énergie thermique est convertie en énergie mécanique. Ainsi la machine à vapeur est capable de délivrer un travail (c’est le principe de la locomotive à vapeur) 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 5  Les objectifs de la thermodynamique Exemple : La pompe à chaleur: (voir principe pompe à chaleur: https://www.youtube.com/watch?v=dZHY7DnotGA&t=7s) 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 6  Autre Exemple : Moteur de Stirling Il a été inventé en 1816, il fonctionne avec une source chaude externe qui fournie de l’énergie au moteur. Exemple d’illustration d’un moteur de Stirling: mage extraite de francéducation..com 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 7  Les objectifs de la thermodynamique Le but de cette science est de caractériser l’état du système au temps initial et final. Pour la thermochimie, elle permet en plus de prévoir les évolutions et de faire les bilans énergétiques des réactions chimiques. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 8  1ère partie: Généralités sur les Systèmes thermodynamiques. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 9  I. Les systèmes thermodynamiques: Rappel 1 - Qu’est-ce Qu’un Système Thermodynamique (Rappel) Un système thermodynamique est constitué d'un très grand nombre de particules (atomes, molécules, ions,...), généralement de l'ordre du nombre d'Avogadro. Il peut être décrit à l'échelle macroscopique par des grandeurs statistiques (volume, pression, température, concentrations,...), qui sont des valeurs moyennes. 11 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte  Ces grandeurs statistiques sont appelées variables d'état. Un système thermodynamique est limité dans l’espace. Il a une limite appelée « la paroi = la surface = la frontière ». Surfaces séparant la matière incluse dans « S » du milieu Extérieur. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 12  2- Les différents systèmes Selon la nature des transferts (échanges) possibles entre le système et le milieu extérieur, on doit distinguer différents types de systèmes. →Système ouvert: il peut échanger de l’énergie et de la matière avec le milieu extérieur et peut donc subir des changements de composition. →Exemple: - des flacons à l’air libre; l’océan ( échanges d’énergie et de matière entre l’océan et l’atmosphère) - Une cellule biologique est un système ouvert car les déchets et nutriments peuvent migrer à travers les membranes cellulaires. CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 21/01/2025 13  → Système fermé: c’est un système qui peut échanger de l’énergie mais pas de la matière avec le milieu extérieur. - un gaz enfermé dans une enceinte, de l’eau Exemples: enfermée dans une bouteille. - Un système chimique dont la quantité de matière reste constante constitue un système fermé. 21/01/2025  Système isolé : C’est un système qui n’échange ni de matière et ni d’énergie avec l’extérieur. Exemple : L’Univers est considéré comme un système isolé à preuve du contraire. Système Calorifugé : C’est un système qui peut échanger de la matière et de l’énergie sous forme de travail mais qui n’échange pas de transfert thermique (chaleur) avec l’extérieur. Exemple : Système calorifugé : un liquide enfermé dans un vase Dewar. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 15  3 - GRANDEURS PROPRES À LA THERMODYNAMIQUE - Température (T) en Kelvin (K). - Pression (P= F / S où F est la force pressante sur la surface S) en Pascal (Pa). - La fraction molaire « xi »de chaque constituant : - Potentiel chimique : μ (J.mol-1) - Grandeurs d’Énergie : interne « U en ( J ) », l’enthalpie « H en ( J ) », l’enthalpie libre « G » en J.mol-1 et l’énergie libre « F » en J.mol-1. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 16 4- Variables d’état DÉFINITIONS : Les variables d'état sont des grandeurs statistiques permettant de caractériser un système thermodynamique. Pour qu'une grandeur puisse être considérée comme une variable d'état, il est essentiel qu'elle puisse être déterminée à un instant donné, sans que l'on ait besoin pour cela de connaître l'histoire du système. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 17 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 18   LES VARIABLES D’ÉTAT EXTENSIVES ET INTENSIVES : Les variables d’état qui caractérisent un système sont de deux natures :  Les variables d’état extensives sont proportionnelles à la quantité de matière. (la Masse,, le Volume, les grandeurs d’énergie : U, H , G , F…). Elles sont donc additives.  Les variables d’état intensives sont indépendantes de la quantité de matière (la Pression, la Température). Elles sont non additives et sont définies en chaque point du système. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 19  Fonctions d’état : Une fonction d’état X est donc une grandeur d’état X dont la variation (X2-X1) au cours d’une transformation donnée est indépendante de la nature de cette transformation (cette variation ne dépend pas « du chemin suivi »). Exemple de fonction d’état : énergie interne( U) , enthalpie (H), entropie (S), enthalpie libre (G). 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 20 Au cours d’une transformation donnée, la variation totale de la fonction d’état entre les états 1 et 2 s’écrit : 𝜟X = (X2 - X1) Alors « 𝜟X » ne dépend que des états initial (1) et final (2) quel que soit le chemin pris et telle que : 2 𝜟X = X2 - X1 = ‫׬‬1 𝑑𝑋 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 21 Exemple: Évolution d’un système entre deux états par trois chemins ou processus différents, pour une fonction d’état. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 22  Remarque : ⟹ Lorsque la transformation ramène le système dans son état initial, alors la variation de la grandeur X vaut: 𝜟X = 0. ⇒ Mathématiquement, une fonction F est une fonction d’état si sa différentielle dF est une différentielle totale exacte tel que : 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 23  Remarque : Une transformation est dite élémentaire ou infinitésimale lorsque les états d’équilibre thermodynamique initial et final sont infiniment proches lorsque les échanges restent. infiniment faibles. Ce qui donne lieu à une toute petite variation des paramètres décrivant le système. ↦ Lorsqu’une variable « X ‘ » n’est pas une fonction d’état (travail : W, transfert thermique : Q), son évolution dépend du chemin suivi. ↦ Sa variation au cours d’une transformation infinitésimale sera notée : 𝛿X ’ entre deux états 1 et 2. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 24 L’équation d’état d’un fluide simple est caractérisée par un jeu de 4 variables d’état (P, V, T et n) qui sont reliées entre elles. Exemple de référence : les gaz parfaits: P=f (n ,V, T ) Rappel : Définition Gaz parfait Dans le modèle du gaz parfait, on néglige toutes les interactions entre les molécules de gaz et on ne considère que les interactions entre les molécules du gaz et les parois du récipient qui le contient. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 25 ↦ Un gaz parfait vérifie l’équation d’état suivante: P V = n R T. P : pression en (Pa), n : quantité de matière de gaz (en mol), V : le volume occupé par le gaz (en m3) et T : en Kelvin (K) telle que (T (K) = 273+ t°(C)). Remarque: 𝑉 Notons Vm le volume d’une mole de gaz, volume molaire tel que Vm = 𝑛 et s’exprime m3.mol-1. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 26 6- ÉTAT D’ÉQUILIBRE D’UN SYSTÈME : Un système physicochimique atteint l’état d’équilibre thermodynamique lorsque sa température, sa pression et sa composition sont les mêmes en tout point de chaque phase et restent invariantes au cours du temps. Un système est en équilibre thermique lorsque sa température « T » ne varie ⇒ Équilibre thermique : plus au cours du temps. ⇒ Équilibre mécanique : Un système est en équilibre mécanique lorsque sa pression « p » ne varie pas au cours du temps 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 27  ⇒ Équilibre chimique : Un système est à l’équilibre chimique lorsque sa composition ne varie plus macroscopiquement au cours du temps. CONCLUSION : L’état d’équilibre thermodynamique pour un système physicochimique est égal à la somme : Équilibre thermique + équilibre mécanique + équilibre chimique = éq.Thermodynamique 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 28  2ème partie: L’ENERGIE INTERNE D’UN SYSTEME : -1ER PRINCIPE THERMODYNAMIQUE - ÉCHANGES D’ÉNERGIE : 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 29  II. L’ENERGIE INTERNE D’UN SYSTEME -1ER PRINCIPE THERMODYNAMIQUE et ÉCHANGES D’ÉNERGIE : ⇒ Energie totale : L’énergie totale d’un système peut s’écrire : Etot = Em+U où Em: contributions énergétiques dues aux interactions à l’échelle macroscopiques. Où « U » est appelée énergie interne correspondant aux contributions énergétiques dues aux interactions à l’échelle microscopique. ⇒ Définition de l’énergie interne: L'énergie est exprimée en Joule (J). « U » s’écrit : U = Ethermique + Epotentielle microscopique. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 30 Vidéo Jove: Notion d’énergie Interne. https://app.jove.com/fr/embed/player?id=11283&access=cff3640c82&language=fr&t=1&s=1&fpv=1. Un système thermodynamique peut échanger de l'énergie avec son environnement (le milieu extérieur) et ce à travers sa surface. Cet échange peut se faire sous deux formes : ⇒ une forme ordonnée. (Appelée travail) ⇒ une forme désordonnée (Appelée chaleur ou transfert thermique) 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 31  Commençons par définir le TRAVAIL : Le travail est une des manifestations de l’énergie. On augmente l’énergie d’un système en lui transférant du travail. Le travail est un transfert d'énergie qui provient du déplacement du point d'application d'une force exercée par le milieu extérieur sur le système thermodynamique. Le travail noté « W » est exprimée en Joule (J). 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 32 Vidéo Jove: Notion d’énergie 1er principe. https://app.jove.com/fr/embed/player?id=11283&access=cff3640c82&language=fr&t=1&s=1&fpv=1. Comment calculer et mesurer les variations d’énergie qui interviennent pendant les réactions chimiques ? - Pour un système fermé (sans échange de matière), macroscopiquement au repos , la variation d’énergie interne au cours d’une transformation entre 2 états d’équilibre 1 et 2 mesure les transferts d’énergie échangés sous forme de travail W12 et de transfert thermique Q12, avec le milieu extérieur. tel que 𝜟𝑼𝟏→𝟐 = U2-U1= W1 2 + Q1 2 L'énergie est exprimée en Joule (J). 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 33 W1 2 = somme de tous les travaux Q1 2 = somme de tous les transferts thermiques échangés. échangés entre le système et le milieu Q1 2 > 0 s’il est reçu par le système du milieu extérieur. extérieur. Q1 2 < 0 s’il est fourni par le système au milieu ext. W1 2 > 0 s’il est reçu par le système du milieu extérieur. Le travail et le transfert thermique W1 2 < 0 s’il est fourni par le système au milieu ext. Sont exprimés en Joule (J). 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 34 - Le 1er principe peut aussi s’énoncer sous forme différentielle. - Pour un système fermé,macroscopiquement au repos et sans échange de matière lors d’ une transformation élémentaire entre deux 2 états d’équilibre infinitésimaux le premier principe s’écrit sous sa forme différentielle : dU = 𝛿W +𝛿Q 2 Par intégration la variation globale d’énergie interne s’écrit: 𝜟𝑈1→2 = ‫׬‬1 𝑑𝑈 = U2 -U1 et les travaux et chaleurs échangés sur le chemin 1 et 2 s’écrivent: 2 2 W12 = ‫׬‬1 𝛿𝑊 et Q1 2 = ‫׬‬1 𝛿𝑄 Attention!!! W et Q ne sont pas des fonctions d’états et dépendent du chemin suivi donc de la nature de la transformation, mais U est une fonction d’état donc sa variation ne dépend pas du chemin suivi. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 35   Transfert d’énergie par TRAVAIL entre un système gazeux et le milieu extérieur: Vidéo Jove: Notion Travail des forces de pressions. https://app.jove.com/fr/embed/player?id=11286&access=9e139ecc26&language=fr&t=1&s=1&fpv=1. On dit qu’il y a échange de travail entre un système gazeux et le milieu extérieur si le volume du système varie. Attention !!! les solides et les liquides sont supposés incompressibles, donc ils sont en générale peu sensible aux variations de pression due au gaz) 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 36  Dans le cas d’une réaction chimique qui engendre des gaz ou s’il existe une augmentation du nombre de moles de gaz, alors le travail total des forces de pression pour passer d’un volume V1 à un volume V2 est défini par : 2 W = - ‫׬‬1 𝑃𝑒𝑥𝑡. 𝑑𝑉 où Pext est la pression extérieure due aux forces de pression extérieures. Le travail des forces de pression est exprimée en Joule (J). Le travail n’est pas une fonction d’état. Un corps ne possède pas un travail. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 37  Exemple :  Si le volume « V » diminue donc dV< 0, le travail W est positif. Le système reçoit alors de l’énergie mécanique sous forme de travail. Le travail des forces de pression est positif lors de la compression d’un fluide. Exemple: compression d’un fluide (gaz).  Si le volume « V » augmente donc dV > 0, le travail W est est négatif. Le système perd alors de l’énergie mécanique sous forme de travail. Le travail des forces de pression est négatif lors de la détente d’un fluide. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 38 ⇒ Notion de CHALEUR OU TRANSFERT THERMIQUE Les réactions chimiques peuvent absorber ou libérer de la chaleur ou du transfert thermique. Vidéo Jove: Notion Chaleur ou transfert thermique. https://app.jove.com/fr/embed/player?id=11285&access=dbd5f1e4c9&language=fr&t=1&s=1&fpv=1. Exemple: Il est possible d'estimer la quantité d'énergie produite par les nutriments en les faisant brûler : ils produisent alors de la chaleur qui est une énergie thermique. 1 g de protides fournit 17 kJ, 1 g de glucides fournit 17 kJ, 1 g de lipides fournit 38 kJ. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 39 La chaleur ou transfert thermique, elle est définie de la façon suivante : La chaleur ou transfert thermique est un transfert d'énergie qui ne découle pas du déplacement du point d'application d'une force. Elle est due à la variation du degré d’agitation thermique des molécules internes au système. Ce qui revient à dire que la chaleur est la forme de transfert d'énergie qui n'est pas du travail. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 40 L’expérience nous montre que lorsque deux corps sont en contacts, le corps dont la température est la plus élevée cède de la chaleur ou du transfert thermique au corps dont la température est la plus faible et que leurs températures tendent à s’égaliser à l’équilibre thermique. CONCLUSION :  Le transfert thermique s’effectue toujours du corps le plus chaud (température la plus haute) vers le corps le plus froid (température plus faible). 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 41  Le transfert thermique reçu par un système peut correspondre : À un échauffement ou un refroidissement du système. Un changement d’état. Une réaction chimique au sein du système. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 42  Convention de signe au cours des échanges :  Processus endothermique : Un processus où le système est chauffé par le milieu extérieur c’est-à-dire qui absorbe du transfert thermique (ou de la chaleur) du milieu extérieur, est dit « ENDOTHERMIQUE donc Q > 0 ». (Beaucoup moins fréquentes : certaines dissolutions de sel). 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 43  Convention de signe au cours des échanges :  Processus exothermique : Un processus physicochimique qui chauffe le milieu extérieur c’est—à-dire libère de l’énergie sous forme de chaleur au milieu extérieur est dit : « EXOTHERMIQUE donc Q < 0 ». (Beaucoup plus fréquentes : Les transformations de combustions (les transformations oxydantes des nutriments dans les organismes par exemple) 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 44  Bilan des transferts d’énergie échangés à travers une surface :  Un système thermodynamique ne possède pas de travail, toutefois travail et chaleur naissent lors d’un transfert d’énergie entre le système thermodynamique et l’extérieur. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 45 Exemple : Moteur de Stirling Exemple : La pompe à Chaleur PAC, Revenons sur la vidéo pour voir si vous faîtes le lien avec le cours. (voir principe pompe à chaleur: https://www.youtube.com/watch?v=dZHY7DnotGA&t=7s) Wooclap Exemple d’illustration d’un moteur de Stirling: image extraite de francéducation..com https://app.wooclap.com/OMXAIL?from=instruction-slide 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 46  EXEMPLE : CALCUL DE LA VARIATION D’ENERGIE INTERNE Les nutritionnistes étudient l’utilisation d’énergie par le corps humain, et nous pouvons considérer notre corps comme un système thermodynamique. Supposons qu’au cours d’une expérience vous effectuez un travail de 662 kJ sur un vélo d’appartement et que vous perdiez une énergie de 82 kJ sous forme de chaleur.  Quelle est votre variation d’énergie interne ? Sans tenir compte des éventuelles pertes de matière par transpiration. 21/01/2025 CM1 Thermochimie chap 1 JCalixte 47