Fiche 3 - Thermodynamique 1 + 2 PDF

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Thermodynamique 1 La thermodynamique (TD) est la science qui étudie les échanges d'énergie entre les systèmes matériels. Systèmes biologiques Les cellules et les organismes vivants sont des "machines" chimiques. Elles sont les sièges des réactions de : -

Transformation ou d'utilisation de l'énergie Synthèse des biomolécules : biogenèse Dégradations des biomolécules : catabolisme

La vie et beaucoup de systèmes physiques “fonctionne” grâce à la transformation de l’énergie. La cellule possède la faculté de l’extraire, de la transformer, de l’utiliser et de l’échanger satisfaisant ainsi aux principes de la thermodynamique. La thermodynamique s’intéresse aux questions : - Qu’est-ce que la chaleur (énergie thermique) ? - Comment se transforme l’énergie ? - Tous les échanges sont-ils permis ? - Comment d’écrire un système moléculaire avec 6.1023molécules ? La thermodynamique ne s’intéresse pas : - Aux paramètres microscopiques (structures atomiques) ; - Aux mécanismes des transformations ; - A la durée de la transformation.

I – Matière, états de la matière Les atomes et les molécules de la matière dans l'état isolé n'existent pas : ils forment des ensembles appelés les solides, les liquides et les gaz. Ce sont les états de la matière.

II – Propriétés thermiques de la matière, énergie interne La matière (vivante ou non vivante) est constituée d'un très grand nombre de particules (comparable au nombre d’Avogadro, NA).

- Chaque molécule possède une énergie qui caractérise les agitations - Pour un gaz, chaque molécule possède une vitesse, donc elle possède une énergie cinétique (Ec) qui caractérise les déplacements Pour une molécule isolée : Ec = 1/2 mv² (mécanique de Newton) Pour une mole : Ec = 1/2 NAmvm2 ; vm : vitesse moyenne ; NA : nombre d'Avogadro D’autre part : Ec = 1/2 NA mvm2 = 3/2 RT T : température R : constante En thermodynamique, pour mesurer la température T, on utilise les Kelvin. Dans l'échelle Kelvin, il n'existe pas de température négative ; la limite est à 0 K = -273,15 °C. Cette énergie de mouvement Ec constitue l'énergie interne de la matière, qu’on note U. Exemple : - 1 mole d’un gaz raréfié : U = 3/2RT - U ne dépend que de la température : U = f(T) - Un corps réel, U = f(T) est composée essentiellement de vibration des atomes à l'intérieur de la molécule.

Quand on chauffe un corps, il absorbe la chaleur, l'énergie absorbée "sert" à accélérer les mouvements des molécules. Le corps commence à se dilater : il augmente son volume de ∆ V, ∆ V=Vf- Vi (f = final, i = initial).

Il y a une relation entre ces faits (chauffage - dilatation) qui peut être déduite indépendamment du mécanisme moléculaire des processus sous – jacents. L’énergie thermique (chauffage) venue de l’extérieur est transformée par le système (par des molécules) en énergie mécanique(dilatation), qu’on appelle le travail, W. En revanche, lorsqu’on comprime un objet (un gaz, une pastille de médicament...) il s'échauffe.

Dans ce cas-là, l’énergie mécanique (travail) venue de l’extérieur est transformée par un objet matériel en énergie thermique, on appelle la chaleur, Q.

- Le "système", qui est la partie de l'univers qui fait l'objet de notre étude. - Le "milieu extérieur", qui est constitué par tout le reste.

La thermodynamique explique et quantifie ces échanges Exemples : - Un récipient dans une pièce - Une cellule dans un organe - Une plante dans une serre / en terre

Il existe trois types de systèmes : -

Un système est fermé lorsque aucun transfert de matière n'est possible avec l'environnement (exemples : piles électriques, réfrigérateur en fonctionnement)

-

Un système est isolé lorsque ni matière ni énergie ne s’échangent entre système et environnement (exemples : une bouteille thermos, un calorimètre)

Les êtres vivants sont des systèmes ouverts, c'est-à-dire qu'en plus de l'énergie, ils échangent aussi de la matière avec leur environnement.

L'état d'un système est l'apparence qu'il a quand on l'observe : solide, liquide, vapeur. Un système peut subir des transformations qui l'amènent à changer d’état : fusion, évaporation, réaction chimique. Dans tous les cas, le système quitte l'état initial (i) pour atteindre un état final (f) soit directement :

Ou, soit après une évolution qui correspond au passage par une série d'autres états, plus ou moins bien définis :

Pendant les transformations, le système peut échanger avec le milieu extérieur : 1) De l'énergie : Eau (liquide, 25 °C) absorbe la chaleur de l’extérieur, la vapeur (100 °C) se dilate en faisant le travail.

2) De la matière :

- L’état du système dépend de la pression (P), du volume (V), de la température (T) et du nombre de moles (n) qu’on appelle les variables d’état. P, V, T, n : les variables d ’état ( ∆ P)dP, ( ∆ V)dV, ( ∆ T)dT, ( ∆ n)dn - Les variables d'état ne sont pas indépendantes les unes des autres - Elles sont reliées par des équations d'état du système Exemple : pour des gaz parfaits, l’équation d’état : PV= nRT T (K) = T(°C) + 273,15 R : constante des gaz parfaits

R = 1,9872 cal.K-1mol-1 = 8,3145 J.K-1.mol-1

L'état du système peut être : -

Homogène (une seule phase)

Une phase représente un milieu homogène. -

Hétérogène (mélange de phases)

La chaleur (notée Q) est une forme d’énergie qui est reliée à la température. Exemple : Une cellule capte de l'énergie du milieu extérieur (énergie lumineuse). Elle cède une partie de cette énergie au milieu extérieur sous forme de chaleur (Q).

III - Premier principe de la thermodynamique

IV - Le 1er principede la thermodynamique s'applique aux êtres vivants

V - Processus à pression constante : Enthalpie

VI - Application du premier principe de la thermodynamique aux réactions chimiques

Thermodynamique 2...