Présentation
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Auteur(s)
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Louis SCHUFFENECKER : Docteur ès sciences - Ingénieur de l’École nationale supérieure des industries chimiques (ENSIC-Nancy) - Directeur des formations à l’École des mines de Nancy (EMN) - Professeur à l’ENSIC et à l’EMN
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Jean-Noël JAUBERT : Docteur en chimie-physique - Ingénieur de l’École supérieure de chimie de Marseille - Maître de conférences à l’ENSIC
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Roland SOLIMANDO : Docteur en chimie-physique - Ingénieur de l’École supérieure de chimie de Marseille - Maître de conférences à l’ENSIC
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Lire l’articleINTRODUCTION
La thermodynamique, à l’instar des autres sciences exactes (mécanique, électromagnétisme), repose sur un nombre limité de postulats (ou principes) découverts par voie inductive à partir de très nombreuses observations expérimentales, de natures très variées.
A partir de ces postulats, grâce à la possibilité de mettre en œuvre un formalisme mathématique rigoureux, on établit de façon déductive les expressions des lois scientifiques (d’où l’appellation « sciences exactes »).
L’origine expérimentale et macroscopique des lois de la thermodynamique fait que celles-ci sont indépendantes de toute connaissance préalable de la structure intime de la matière et possèdent un caractère général et rigoureux.
Dans le présent article, on applique les lois de la thermodynamique aux systèmes chimiques, c’est-à-dire à des quantités de matière susceptibles de subir des transformations. La réalité est complexe et sa représentation mathématique constitue une modélisation dans laquelle certaines grandeurs, définies comme des propriétés du système, sont en fait des grandeurs mathématiques abstraites qui, par suite de leur importance, sont très utilisées et deviennent alors familières.
Si on considère un récipient contenant un liquide, on admet aisément que sa température puisse être uniforme, par contre, on sait que la pression au fond est supérieure à celle qui règne à sa surface. L’expérience (encore elle !) montre que les propriétés d’un liquide dans les conditions usuelles ne dépendent que très faiblement de la pression, on peut donc légitimement négliger l’influence de la pression. Dans ces conditions, la description et les calculs qui en découlent sont simplifiés, mais il ne faut jamais oublier l’hypothèse simplificatrice et ses limites de validité.
Ainsi, le système thermodynamique de base à partir duquel on va établir des lois thermodynamiques applicables aux systèmes chimiques est supposé être à pression et à température uniformes. D’autres hypothèses simplificatrices sont ajoutées, ce qui conduit au système « thermoélastique monophasique uniforme ». Ce modèle macroscopique permet de décrire très convenablement les systèmes chimiques (réactifs ou non).
Les systèmes industriels sont caractérisés par le fait que, très souvent, ils fonctionnent en « systèmes ouverts » c’est-à-dire avec des transferts de matière. Les lois de la thermodynamique sont encore applicables et si l’installation est dans un état stationnaire, les relations sont d’une remarquable simplicité au regard de la complexité de l’ensemble.
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Premier principe de la thermodynamique
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3. Transformations d’un système chimique
Un système thermodynamique fermé ne peut subir un cycle de transformations, c’est-à-dire passer d'un état initial (1) à un état (2) puis à un état (3) etc., puis revenir à l'état initial (1), que s'il est susceptible d'avoir des interactions avec un autre système ou avec le milieu extérieur. Ces interactions sont de natures très variables et caractéristiques de l'étude.
3.1 Le modèle thermoélastique
Le modèle thermoélastique, destiné à représenter les systèmes chimiques, est basé sur l'hypothèse selon laquelle les interactions de ces systèmes avec le milieu extérieur ou avec un autre système sont exclusivement des transferts de matière et/ou de chaleur à travers son enveloppe et des actions de forces surfaciques exercées sur cette dernière, conduisant à des variations de son volume V.
il est évident que cette limitation à trois du nombre d'échanges possibles ne permet pas de représenter tous les systèmes thermodynamiques. En particulier, on élimine du champ de l’étude les systèmes électriques, magnétiques, etc. Toutefois, c'est bien sur cette hypothèse que s'est développé le formalisme de la thermodynamique chimique.
3.1.1 Modèle mécanique associé à un système thermoélastique fermé
On représente un système thermoélastique fermé à l'aide d'un modèle mécanique formé par cylindre droit, rigide, fermé à une extrémité, muni d’un piston mobile et contenant un gaz (figure 3).
Les déplacements du piston permettent de faire varier le volume du système, un déplacement dx entraînant une variation de volume dV.
Si A est l’aire de la section du piston :
Compression...
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