Thermodynamique

Thermodynamique

Système et état

• Système : portion d'univers étudiée. Ouvert/fermé/isolé.
• Variables d'état : $T, p, V, n$. Fonctions d'état : $U, H, S, G$ (dépendent de l'état, pas du chemin).

Premier principe (conservation de l'énergie)

$\Delta U = Q + W$ $U$ énergie interne, $Q$ chaleur reçue, $W$ travail reçu. Pour les transformations à pression constante, on utilise l'enthalpie $H = U + pV$ : $\Delta H = Q_p$.

Calorimétrie

• Capacité thermique : $C$ (J·K⁻¹) ; $Q = m c \Delta T$ pour un corps de chaleur massique $c$.
• Changements d'état : $Q = m \cdot L$ (L : chaleur latente, J·kg⁻¹). Fusion glace : 334 kJ/kg ; vaporisation eau : 2260 kJ/kg.

Thermochimie

Loi de Hess : $\Delta_r H = \sum \nu_i \Delta_f H^\circ_i$. Réactions exothermiques ($\Delta H < 0$) ou endothermiques ($\Delta H > 0$). Combustion du méthane : $\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$ ; $\Delta_r H^\circ = -890$ kJ/mol.

Deuxième principe (entropie)

$\Delta S_{univers} \geq 0$ $S$ mesure le désordre. Une transformation spontanée augmente l'entropie de l'univers. $\Delta S = Q_{rev}/T$.

Énergie libre de Gibbs

$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$

• $\Delta G < 0$ : spontané. $\Delta G = 0$ : équilibre. $\Delta G > 0$ : non spontané.
• À l'équilibre : $\Delta G^\circ = -RT \ln K$ ($K$ constante d'équilibre).

Machines thermiques

• Moteur : convertit $Q_{chaud}$ en $W$, rejette $Q_{froid}$. Rendement Carnot $\eta = 1 - T_f/T_c$.
• Pompe à chaleur / frigo : transfère $Q$ du froid vers le chaud (consomme $W$). COP > 1.

Applications

Centrales thermiques, moteurs, climatisation, biologie (couplage énergétique ATP), métallurgie, chimie industrielle (synthèse de Haber : $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$, optimisation T° et p).