Chapitre 2 : Equilibre thermodynamique 1. Equilibre thermique • Exemple : verre d’eau chaude T0 T0 t T > T0 T = T0 • Equilibre thermique : égalité des températures • Equilibre thermique implique un échange d’énergie • L’échange d’énergie peut se produire selon divers processus physiques : - conduction (collisions entre particules) - convection (déplacement de fluides) - radiation (transport par ondes éléctromagnétiques) - changement d’état (modification de la densité) • Conduction : collisions entre particules (électrons) ∆U A P = = κ ∆T ∆t d conductivité thermique A d voir loi de Fourier plus loin. • Convection : déplacement de fluides (brassage) effet de la température sur la densité du fluide. • Radiation : transport d’énergie par ondes éléctromagnétiques ∆U P = = eσA(T 4 − T04 ) ∆t basé sur le corps noir σ = 5.6 10−8 W/m2 K4 [constante de Stefan] voir corps noir en BAC 3 • Changement d’état : évaporation mL P = ∆t chaleur latente si variation de densité voir chaleur latente plus loin 2. Equilibre mécanique • Exemple : détente d’un piston ∆V p > p0 t p0 p = p0 • Equilibre mécanique : égalité des pressions • Equilibre mécanique implique un échange de volume travail : W = −p0 ∆V [signe] p0 3. Equilibre osmotique • Exemple : goutte d’encre dans un verre d’eau encre t eau µencre != µeau µencre = µeau • Equilibre osmotique : égalité des potentiels chimiques • Equilibre osmotique implique un échange de matière • Sans agitation du fluide, il faut attendre longtemps pour que l’équilibre osmotique s’établisse. 4. Equilibre thermodynamique • Définition : Un équilibre thermodynamique est atteint lorsqu’il y a équilibre thermique, mécanique et osmotique. ??? équilibre • La thermodynamique est donc restrictive car situations idéalisées. ??? • La thermodynamique ne donne aucune information sur la durée des phénomènes observés. ∆t 5. Principe zéro • Si un système est à l’équilibre, toutes ses parties le sont également. • La notion d’équilibre est donc transitive : TB = T C A B TA = TB C TA = TC A C 6. Variables thermodynamiques • Quels sont les paramètres utiles pour établir un formalisme en thermo ? 3 équilibres 3 paramètres U, V, N • Les trois variables primitives suffisent : U, V, N • Ces trois variables primitives sont extensives, elles sont conjuguées aux variables intensives de l’équilibre. U V N T p µ • A l’équilibre et uniquement à l’équilibre : U, V, N A B C UA + UB + UC = U additivité des variables extensives V A + VB + V C = V NA + NB + NC = N T A = TB = T C = T égalité des variables intensives p A = pB = pC = p µA = µB = µC = µ 7. Remarques sur l’énergie interne • Energie totale d’un système : E = Epot + Ecin + U mécanique macroscopique microscopique • U est lié à la nature microscopique du système : - énergie cinétique des particules (agitation thermique) - énergie potentielle d’interaction entre paires de particules • U ne fait intervenir que des forces conservatives. • Il est impossible de mesurer U mais !U peut être déterminé. • Extensivité de U : attention aux forces interparticulaires.