ÉQUILIBRE THERMODYNAMIQUE: CLASSES ET APPLICATIONS - PHYSIQUE - 2025

L' équilibre thermodynamique d'un système isolé est défini comme un état d'équilibre dans lequel les variables qui le caractérisent et qui peuvent être mesurées ou calculées ne subissent pas de changements, étant donné qu'en raison de son isolement, il n'y a pas de forces externes qui tendent à modifier cet état..

Les systèmes et les classes d'équilibre à considérer sont très divers. Un système peut être une cellule, une boisson glacée, un avion rempli de passagers, une personne ou une machine, pour ne citer que quelques exemples. Ils peuvent également être isolés, fermés ou ouverts, selon qu'ils peuvent ou non échanger énergie et matière avec leur environnement.

Les composants du cocktail sont en équilibre thermique. Source: Pexels.

Un système isolé n'interagit pas avec l'environnement, rien n'y pénètre ou n'en sort. Un système fermé peut échanger de l'énergie mais peu importe avec l'environnement environnant. Enfin, le système ouvert est libre de faire des échanges avec l'environnement.

Eh bien, un système isolé que l'on laisse évoluer assez longtemps tend spontanément à l'équilibre thermodynamique dans lequel ses variables conserveront indéfiniment leur valeur. Et lorsqu'il s'agit d'un système ouvert, ses valeurs doivent être les mêmes que celles de l'environnement.

Ceci sera réalisé tant que toutes les conditions d'équilibre imposées par chaque type particulier sont satisfaites.

Cours d'équilibre

Équilibre thermique

Un type d'équilibre fondamental est l'équilibre thermique, qui est présent dans de nombreuses situations quotidiennes, comme une tasse de café chaud et la cuillère avec laquelle le sucre est mélangé.

Un tel système a tendance à acquérir spontanément la même température après un certain temps, après quoi l'équilibre arrive car toutes les pièces sont à la même température.

Lorsque cela se produit, il existe une différence de température qui entraîne l'échange de chaleur dans tout le système. Chaque système a un temps pour atteindre l'équilibre thermique et atteindre la même température en tous points, appelé temps de relaxation.

Balance mécanique

Lorsque la pression à tous les points d'un système est constante, elle est en équilibre mécanique.

Balance chimique

L'équilibre chimique, parfois également appelé équilibre matériel, est atteint lorsque la composition chimique d'un système reste inchangée dans le temps.

En général, un système est considéré en équilibre thermodynamique lorsqu'il est simultanément en équilibre thermique et mécanique.

Variables thermodynamiques et équation d'état

Les variables étudiées pour analyser l'équilibre thermodynamique d'un système sont diverses, les plus couramment utilisées étant la pression, le volume, la masse et la température. D'autres variables incluent la position, la vitesse et d'autres dont la sélection dépend du système à l'étude.

Ainsi, comme l'indication des coordonnées d'un point permet de connaître sa localisation exacte, la connaissance des variables thermodynamiques détermine sans équivoque l'état d'un système. Une fois le système en équilibre, ces variables satisfont à une relation connue sous le nom d'équation d'état.

L'équation d'état est fonction des variables thermodynamiques dont la forme générale est:

Où P est la pression, V est le volume et T est la température. Naturellement, l'équation d'état pourrait être exprimée en termes d'autres variables, mais comme dit précédemment, ce sont les variables les plus utilisées pour caractériser les systèmes thermodynamiques.

L'une des équations d'état les plus connues est celle des gaz parfaits PV = nRT. Ici n est le nombre de moles, d'atomes ou de molécules et R est la constante de Boltzmann: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

L'équilibre thermodynamique et la loi zéro de la thermodynamique

Supposons que nous ayons deux systèmes thermodynamiques A et B avec un thermomètre que nous appellerons T, qui est mis en contact avec le système A assez longtemps pour que A et T atteignent la même température. Dans un tel cas, on peut garantir que A et T sont en équilibre thermique.

À l'aide d'un thermomètre, la loi zéro de la thermodynamique est vérifiée. Source: Pexels.

La même procédure est alors répétée avec les systèmes B et T. Si la température de B s'avère être la même que celle de A, alors A et B sont en équilibre thermique. Ce résultat est connu sous le nom de loi zéro ou principe zéro de la thermodynamique, formellement énoncé comme suit:

Et de ce principe, on conclut:

Par conséquent, deux corps en contact thermique qui ne sont pas à la même température ne peuvent pas être considérés en équilibre thermodynamique.

Entropie et équilibre thermodynamique

Ce qui pousse un système à atteindre l'équilibre thermique est l'entropie, une grandeur qui indique à quel point le système est proche de l'équilibre, indiquant son état de désordre. Plus il y a de désordre, plus il y a d'entropie, tout le contraire se produit si un système est très ordonné, dans ce cas l'entropie diminue.

L'état d'équilibre thermique est précisément l'état d'entropie maximale, ce qui signifie que tout système isolé va spontanément vers un état de plus grand désordre.

Or, le transfert d'énergie thermique dans le système est régi par le changement de son entropie. Soit S l'entropie et désignons par la lettre grecque "delta" le changement en elle: ΔS. Le changement qui fait passer le système d'un état initial à un état final est défini comme:

Cette équation n'est valable que pour les processus réversibles. Processus dans lequel le système peut revenir complètement à ses conditions initiales et est en équilibre thermodynamique à chaque point de son parcours.

Exemples de systèmes avec une entropie croissante

- Dans le transfert de chaleur d'un corps plus chaud vers un corps plus froid, l'entropie augmente jusqu'à ce que la température des deux soit la même, après quoi sa valeur reste constante si le système est isolé.

- Un autre exemple d'entropie croissante est la dissolution du chlorure de sodium dans l'eau, jusqu'à atteindre l'équilibre dès que le sel est complètement dissous.

- Dans un solide qui fond, l'entropie augmente également, puisque les molécules passent d'une situation plus ordonnée, qui est un solide, à une situation plus désordonnée comme le liquide.

- Dans certains types de désintégration radioactive spontanée, le nombre de particules qui en résulte augmente et avec lui l'entropie du système. Dans d'autres désintégrations dans lesquelles l'annihilation des particules se produit, il y a une transformation de la masse en énergie cinétique qui dissipe finalement la chaleur, et l'entropie augmente également.

De tels exemples mettent en évidence le fait que l'équilibre thermodynamique est relatif: un système peut être en équilibre thermodynamique localement, par exemple si l'on considère le système tasse de café + cuillère à café.

Cependant, le système tasse à café + cuillère + environnement peut ne pas être en équilibre thermique tant que le café n'est pas complètement refroidi.

Références

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6. Wikipédia. Équilibre thermodynamique. Récupéré de: en.wikipedia.org.