Second principe de la thermodynamique

M2 : Chimie Mr Allouchi

Second principe de la thermodynamique

(Principe d’évolution des systèmes)

1. Transformation réversible et irréversible

Une transformation réversible est une transformation qui permet au système à tout moment de revenir en sens inverse (infiniment lente)

[pic 1]

Exemple 1 : comprimons un gaz d’une manière réversible

On ajoute au fur et à mesure des petits poids, à chaque instant, la pression extérieur (qui varie en fonction des poids) est égale à la pression du gaz

Comprimons le même gaz d’une manière irréversible. Le système ne peut jamais spontanément revenir en arrière :[pic 2]

On ajoute au début un poids qui vaut la somme des différents poids de l’exemple précédent. Le gaz se comprime rapidement

Exemple 2 :

[pic 3]

Une transformation réversible représente les cas idéalisé d’une transformation réelle, conduite d’une manière indéfiniment lente, constitué d’une suite d’états d’équilibres infiniment voisins

1. Source de l’irréversibilité

Une irréversibilité globale (macroscopique) est fondée sur des situations réversibles (microscopiques)

[pic 4][pic 5]

Nous sommes    A cause du                      

partis d’une      chaos des

disposition qui   collisions,

est ordonnée.    elle devient

                  d.      désordonnée

Le désordre peut prendre mille est une forme différente alors que l’ordre désigne en général un état assez bien défini : un cube de Rubik mélangé peut prendre des milliards d’aspects différents, mais la seul configuration « résolue » est celle dont toutes les faces ont la même couleur

Modèle statique d’irréversibilité [pic 6]

[pic 7]

Au début, j’ai 5 états d’énergie remplis (« état ordonné »)

Je peux redistribuer mes états car il va y avoir transfert d’énergie [pic 8]

Le premier principe de thermodynamique m’impose de garder l’énergie du système constant (ici 5)

Je dois distribuer 5 états dans 30 positions

        5! = 5×4×3×2×1[pic 9]

142 506 possibilités (état désordonné)

Il y a 142 506 façons de mettre 5 objets dans 30 positions

Si on veut réobtenir l’état initial, on a une chance sur 142 506

C’est possible mais hautement improbable

C’est la notion d’irréversibilité (2ème principe)

1. Conversion d’énergie

[pic 10]

Lorsque qu’on comprime un objet (un gaz, une pastille de médicament, …) il s’échauffe. Le travail W (énergie mécanique)

Est transformé par un objet en chaleur Q (énergie thermique)

Dans certaines conditions (isothermiques) toute énergie mécanique W peut être transformée en chaleur Q (pompe à chaleur !)

Est-il possible de convertir la chaleur en travail à une certaine température ?

Ceci n’est pas contraire au premier principe de la thermodynamique

Dans les deux cas :

ΔU = W + Q, T = constante ΔU = 0 et Q = -W

Le second principe de la thermodynamique infirme que non

Comment peut-on convertir l’énergie de la chaleur et la convertir en travail utile ?[pic 11]

Ceci est possible par l’intermédiaire d’une machine thermique

La base théorique de ce processus a été élaboré par l’ingénieur français Sadi Carnot : RÉFLEXIONS SUR LA PUISSANCE MOTRICE DU FEU

La machine thermique convertie une partie de la chaleur en travail

Carnot a montré que le rendement de ce processus est assez faible et dépend de la différence de températures dans la machine[pic 12]

Le second principe dit qu’il est impossible de convertir l’énergie thermique (chaleur) en travail à une seul température

Si c’était possible, cela signifierait que nous pourrions extraire de la chaleur d’un corps froid et la mettre dans un corps chaud sans qu’il nous en coûte. Ce qui est contraire à toutes les expériences humaines

[pic 13]

 Autrement dit, il fallait que les molécules chaotiques de la partie supérieur (situation « chaleur »)  se transforme spontanément en molécules ordonnées (situation « travail ») de la partie inférieure

1. Entropie

Fournissions un peu de chaleur (δQ) à une glace ayant T = 273 K (0°C), en la transformant en eau liquide à la même température T = 273 K

En absorbant de la chaleur la glace passe de l’état ordonné (cristal) à l’état désordonné (liquide), c’est-à-dire on a créé du désordre dans le système

Refroidissons maintenant l’eau à T = 273 K (0°C) en la transformant en glace à la même T = 273 K. ceci revient à enlever de la chaleur (-δQ)

Dans ce cas là, l’état désordonné (liquide), est passé à l’état ordonné (cristal) c’est-à-dire on a diminué le désordre

Ce processus est réversible

Nous avons remarqué que la relation δQrév/T dans les deux cas : absorption (+) ou dégagement (-) de la chaleur à T = 273 K, possède la même valeur, mais a le signe opposé

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