Thermodynamique des équilibres : Cours et exercices résolus

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Amar Thelidji- Laghouat
FACULTE : TECHNOLOGIE
DEPARTEMENT : GÉNIE DES PROCÉDÉS
Ce cours de Thermodynamique est destiné aux étudiants
de 3ème Année licence Génie des procédés
Réalisé par :
Enseignent : TOUNSI Aissa
2020-2021
Cours et exercices résolus en
Thermodynamique des équilibres

Objectifs de l’enseignement :
Maîtriser l’application des trois principes de la thermodynamique ; Distinguer les différents
états d’un gaz ; Prévoir le sens de l’évolution d’une réaction chimique.
Connaissances préalables recommandées :
Bases de la thermodynamique ; Equations différentielles.
Contenu de la matière :
Chapitre 1 :
Introduction (Rappels) : Systèmes thermodynamiques et transformations – Variables d’état ;
Fonctions thermodynamiques : 1er, 2èmes et 3èmes principes ; Critères d’évolution d’un
système ; potentiel chimique.
Chapitre 2 :
Thermodynamique des substances pures : Changement de phase ; Les gaz réels : fugacité et
coefficient de fugacité ; Equations d’état et détente des gaz (Joule – Gay Lussac et Joule –
Thomson) ; Propriétés thermodynamiques des phases condensées.
Chapitre 3 :
Les équilibres physiques : Equilibres de phases ; Relations générales d’équilibre : Clapeyron et
Clausius–Clapeyron ; Les équilibres liquide – vapeur, solide – vapeur et solide – liquide ;
Equilibres d’un mélange binaire et applications.
Chapitre 4 :
Les équilibres chimiques : La réaction chimique ; affinité chimique - Systèmes monotherme -
monobare et monotherme – monochore ; La thermochimie : Chaleur de réaction et lois de Hess
et de Kirchhoff ; Loi d’action de masse ; Déplacement de l’équilibre.

Table de matière

Table de matière
Chapitre I : Introduction (Rappels)
I.1. Introduction 01
I.2. Systèmes thermodynamiques 01
I.3. Les transformations 02
I.4. Etat d’un système 02
I.4.1. Les variables d’état 02
I.4.1.1. Grandeurs intensives 03
I.4.1.2. Grandeurs extensives 03
I.4.2. Fonctions d’état 03
I.4.2.1. Propriétés caractéristiques d’une fonction d’état 03
I.5. Les principes de la thermodynamique 04
I.5.1. Principe zéro (équilibre thermique) 04
I.5.2. Premier principe de la thermodynamique 04
I.5.2.1. Expression du travail 04
I.5.2.2. La chaleur 05
I.5.2.3. Transformations particulières 05
I.5.3. Deuxième principe de la thermodynamique (principe d’évolution) 06
I.5.3.1. Signification physique de l’entropie 07
I.5.3.2. Critères d’évolution d’un système 07
I.5.3.3. Application du deuxième principe aux gaz parfaits 07
I.5.4. Troisième principe de la thermodynamique : principe de Nernst 08
I.6. Variations des fonctions thermodynamiques avec T, P et V 08
I.6.1. Energie interne 08
I.6.2. Enthalpie 08
I.6.3. Energie libre 08
I.6.4. Enthalpie libre 09
I.7. Potentiel chimique (μi) 10
I.7.1. Relation de Gibbs-Duhem appliquée au potentiel chimique 10
I.7.2. Influence de T et P sur le potentiel chimique 11
Chapitre II : Thermodynamique des substances pures
II.1. Thermodynamiques des substances pures 12
II.2. Changement de phase 12
II.2.1. Règle des phases 12
II.2.1.1. Règle des phases (règles de Gibbs) 13
II.2.1.2. Classification des équilibres d’après la variance 13
II.2.2. Les états du corps pur 13
II.2.2.1. Diagramme de phase d’une substance pure 13

II.2.2.2. Diagramme de phases du carbone 15
II.2.2.3. Diagramme de phases du Fer 16
II.3. Les gaz réels 17
II.3.1. Fugacité et coefficient de fugacité 20
II.3.2. Variation du potentiel chimique avec la pression 20
II.4. Équations d’état 21
II.5. Détente des gaz (Joule – Gay Lussac et Joule – Thomson) 21
II.5.1. Détente de Joule – Gay Lussac 21
II.5.2. Détente de Joule – Thomson (ou de Joule-Kelvin) 22
II.6. Propriétés thermodynamiques des phases condensées 23
Chapitre III : Les équilibres physiques
III.1. Les équilibres physiques 25
III.1.1. Equilibre de phase 25
III.2. Relations générales d’équilibre 25
III.2.1. L’équation de Clapeyron 25
III.2.2. Equation de Clausius-Clapeyron pour l’équilibre liquide-vapeur 26
III.2.3. Changement de phase solide-vapeur (sublimation) 27
III.2.4. Changement de phase solide-liquide (fusion) 27
III.2.5. Changement de phases allotropiques 27
III.3. Equilibres d’un mélange binaire et applications 27
III.3.1. Diagramme d’équilibre isobare liquide-vapeur d’un mélange binaire 28
III.3.1.1. Cas des liquides miscibles en toute proportion 28
III.3.1.1.1. Diagramme isobare d’un mélange idéal 28
III.3.1.1.2. Diagrammes binaires non idéaux (équilibre azéotrope) 31
III.3.1.2. Cas des liquides non miscibles 32
III.3.2. Equilibre de phase liquide-solide 34
III.3.2.1. Diagramme de phases avec miscibilité totale à l’état solide 35
III.3.2.2. Diagramme de phases à point eutectique non miscible à l’état solide 37
III.3.2.3. Diagrammes à point eutectique avec miscibilité partielle à l’état solide 39
III.3.2.4. Diagrammes avec point péritectique 40
III.3.3. Equilibre solide – vapeur 41
Chapitre IV : Les équilibres chimiques
IV. Les équilibres des réactions chimiques 43
IV.1. La réaction chimique 43
IV.2. Affinité chimique (A) 43
IV.3. La thermochimie 44
IV.3.1. Chaleur de réaction 44
IV.3.2. Détermination théorique des chaleurs de réaction 45
IV.3.2.1. Loi de Hess 45
IV.3.2.2. La loi de Kirchoff 46