PROCESSUS THERMODYNAMIQUES: TYPES ET EXEMPLES - CHIMIE - 2025

Les processus thermodynamiques sont des phénomènes physiques ou chimiques impliquant un flux de chaleur (énergie) ou un travail entre un système et son environnement. Lorsqu'on parle de chaleur, l'image du feu vient rationnellement à l'esprit, qui est la manifestation par excellence d'un processus qui libère beaucoup d'énergie thermique.

Le système peut être à la fois macroscopique (un train, une fusée, un volcan) et microscopique (atomes, bactéries, molécules, points quantiques, etc.). Ceci est séparé du reste de l'univers pour considérer la chaleur ou le travail qui y entre ou qui en sort.

Cependant, non seulement le flux de chaleur existe, mais les systèmes peuvent également générer des changements dans certaines variables de leur environnement en réponse au phénomène considéré. Selon les lois thermodynamiques, il doit y avoir un compromis entre la réponse et la chaleur pour que la matière et l'énergie soient toujours conservées.

Ce qui précède est valable pour les systèmes macroscopiques et microscopiques. La différence entre le premier et le dernier sont les variables qui sont considérées pour définir leurs états énergétiques (en substance, l'initiale et la finale).

Cependant, les modèles thermodynamiques cherchent à connecter les deux mondes en contrôlant des variables telles que la pression, le volume et la température des systèmes, en conservant certaines de ces constantes pour étudier l'effet des autres.

Le premier modèle qui permet cette approximation est celui des gaz parfaits (PV = nRT), où n est le nombre de moles, qui, divisé par le volume V, donne le volume molaire.

Ensuite, en exprimant les changements entre les environnements système en fonction de ces variables, d'autres peuvent être définies, comme le travail (PV = W), indispensable pour les machines et les procédés industriels.

En revanche, pour les phénomènes chimiques, d'autres types de variables thermodynamiques sont d'un plus grand intérêt. Celles-ci sont directement liées à la libération ou à l'absorption d'énergie et dépendent de la nature intrinsèque des molécules: la formation et les types de liaisons.

Systèmes et phénomènes dans les processus thermodynamiques

Dans l'image du haut, les trois types de systèmes sont représentés: fermé, ouvert et adiabatique.

Dans le système fermé, il n'y a pas de transfert de matière entre elle et son environnement, de sorte qu'aucune matière ne peut entrer ou sortir; cependant, l'énergie peut traverser les limites de la boîte. En d'autres termes: le phénomène F peut libérer ou absorber de l'énergie, modifiant ainsi ce qui est au-delà de la boîte.

D'autre part, dans le système ouvert, les horizons du système ont leurs lignes pointillées, ce qui signifie que l'énergie et la matière peuvent aller et venir entre elle et l'environnement.

Enfin, dans un système isolé, l'échange de matière et d'énergie entre lui et l'environnement est nul; pour cette raison, dans l'image, la troisième boîte est enfermée dans une bulle. Il est nécessaire de préciser que l'environnement peut être le reste de l'univers, et que l'étude est celle qui définit dans quelle mesure considérer la portée du système.

Phénomènes physiques et chimiques

Quel est précisément le phénomène F? Indiqué par la lettre F et dans un cercle jaune, le phénomène est un changement qui a lieu et peut être la modification physique de la matière, ou sa transformation.

Quelle est la différence? En bref: le premier ne rompt pas et ne crée pas de nouveaux liens, tandis que le second le fait.

Ainsi, un processus thermodynamique peut être envisagé selon que le phénomène est physique ou chimique. Cependant, les deux ont en commun une modification de certaines propriétés moléculaires ou atomiques.

Exemples de phénomènes physiques

Le chauffage de l'eau dans un pot provoque une augmentation des collisions entre ses molécules, au point où la pression de sa vapeur est égale à la pression atmosphérique, puis le changement de phase du liquide au gaz se produit. En d'autres termes: l'eau s'évapore.

Ici, les molécules d'eau ne rompent aucune de leurs liaisons, mais elles subissent des changements énergétiques; ou ce qui est pareil, l'énergie interne U de l'eau est modifiée.

Quelles sont les variables thermodynamiques pour ce cas? La pression atmosphérique P _ex, le produit de la température de la combustion du gaz de cuisson et du volume de l'eau.

La pression atmosphérique est constante, mais la température de l'eau ne l'est pas, car elle chauffe; ni le volume, car ses molécules se dilatent dans l'espace. Ceci est un exemple de phénomène physique dans un processus isobare; c'est-à-dire un système thermodynamique à pression constante.

Et si vous mettiez de l'eau avec des haricots dans un autocuiseur? Dans ce cas, le volume reste constant (tant que la pression n'est pas relâchée lorsque les grains sont cuits), mais la pression et la température changent.

En effet, le gaz produit ne peut pas s'échapper et rebondit sur les parois du pot et la surface du liquide. On parle alors d'un autre phénomène physique mais au sein d'un processus isochorique.

Exemples de phénomènes chimiques

Il a été mentionné qu'il existe des variables thermodynamiques inhérentes aux facteurs microscopiques, comme la structure moléculaire ou atomique. Quelles sont ces variables? Enthalpie (H), entropie (S), énergie interne (U) et énergie libre de Gibbs (S).

Ces variables intrinsèques de la matière sont définies et exprimées en termes de variables thermodynamiques macroscopiques (P, T et V), selon le modèle mathématique retenu (généralement celui des gaz parfaits). Grâce à cela, des études thermodynamiques peuvent être menées sur les phénomènes chimiques.

Par exemple, vous souhaitez étudier une réaction chimique de type A + B => C, mais la réaction ne se produit qu'à une température de 70 ºC. De plus, à des températures supérieures à 100 ºC, au lieu de produire du C, D.

Dans ces conditions, le réacteur (l'ensemble où se déroule la réaction) doit garantir une température constante autour de 70 ºC, le processus est donc isotherme.

Types et exemples de processus thermodynamiques

Processus adiabatiques

Ce sont ceux dans lesquels il n'y a pas de transfert net entre le système et son environnement. Ceci à long terme est garanti par un système isolé (la boîte à l'intérieur de la bulle).

Exemples

Les calorimètres en sont un exemple, qui déterminent la quantité de chaleur dégagée ou absorbée par une réaction chimique (combustion, dissolution, oxydation, etc.).

Au sein des phénomènes physiques se trouve le mouvement généré par le gaz chaud dû à la pression exercée sur les pistons. De même, lorsqu'un courant d'air exerce une pression sur une surface terrestre, sa température augmente à mesure qu'il est forcé de se dilater.

En revanche, si l'autre surface est gazeuse et a une densité plus faible, sa température diminuera lorsqu'elle ressentira une pression plus élevée, forçant ses particules à se condenser.

Les processus adiabatiques sont idéaux pour de nombreux processus industriels, où une perte de chaleur moindre signifie une performance plus faible qui se reflète dans les coûts. Pour le considérer comme tel, le flux de chaleur doit être nul ou la quantité de chaleur entrant dans le système doit être égale à celle entrant dans le système.

Processus isothermes

Les processus isothermes sont tous ceux dans lesquels la température du système reste constante. Il le fait en travaillant, de sorte que les autres variables (P et V) varient dans le temps.

Exemples

Les exemples de ce type de processus thermodynamique sont innombrables. En substance, une grande partie de l'activité cellulaire a lieu à température constante (échange d'ions et d'eau à travers les membranes cellulaires). Au sein des réactions chimiques, tous ceux qui établissent des équilibres thermiques sont considérés comme des processus isothermes.

Le métabolisme humain parvient à maintenir une température corporelle constante (environ 37 ° C) grâce à une large série de réactions chimiques. Ceci est réalisé grâce à l'énergie obtenue à partir des aliments.

Les changements de phase sont également des processus isothermes. Par exemple, lorsqu'un liquide gèle, il dégage de la chaleur, ce qui empêche la température de continuer à baisser jusqu'à ce qu'il soit complètement en phase solide. Une fois que cela se produit, la température peut continuer à baisser, car le solide ne libère plus d'énergie.

Dans les systèmes qui impliquent des gaz parfaits, le changement d'énergie interne U est nul, donc toute la chaleur est utilisée pour faire le travail.

Processus isobares

Dans ces processus, la pression dans le système reste constante, variant son volume et sa température. En général, ils peuvent se produire dans des systèmes ouverts sur l'atmosphère, ou dans des systèmes fermés dont les limites peuvent être déformées par l'augmentation de volume, de manière à contrebalancer l'augmentation de pression.

Exemples

Dans les cylindres à l'intérieur des moteurs, lorsque le gaz est chauffé, il pousse le piston, ce qui modifie le volume du système.

Si tel n'était pas le cas, la pression augmenterait, puisque le système n'a aucun moyen de réduire les collisions des espèces gazeuses sur les parois des cylindres.

Processus isochoriques

Dans les processus isochoriques, le volume reste constant. Il peut également être considéré comme ceux dans lesquels le système ne génère aucun travail (W = 0).

Au fond, ce sont des phénomènes physiques ou chimiques qui sont étudiés à l'intérieur de n'importe quel récipient, que ce soit avec agitation ou non.

Exemples

Des exemples de ces procédés sont la cuisson des aliments, la préparation du café, le refroidissement d'une bouteille de crème glacée, la cristallisation du sucre, la dissolution d'un précipité peu soluble, une chromatographie d'échange d'ions, entre autres.

Références

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