Chapitre 2 : Premier principe de la thermodynamique et son application à la thermochimie

 

Chapitre II : Premier principe de la thermodynamique et son application à la thermochimie

 Énoncé du premier principe:

1- Conservation de l'énergie:

Le premier principe de la thermodynamique, aussi connu sous le nom de principe de conservation de l'énergie, stipule que l'énergie ne peut ni être créée ni détruite. Elle peut seulement être transformée d'une forme à une autre ou transférée d'un système à un autre. En thermochimie, ce principe est crucial pour comprendre comment l'énergie est échangée lors des réactions chimiques et des changements d'état.

2- Formulation mathématique (ΔU = Q - W):

La formulation mathématique du premier principe de la thermodynamique est : ΔU=QW\Delta U = Q - W où :

  • ΔU\Delta U est la variation de l'énergie interne du système.
  • QQ est la chaleur échangée avec l'environnement (positive si le système reçoit de la chaleur, négative s'il en libère).
  • WW est le travail effectué par le système sur son environnement (positif si le système effectue du travail, négatif si le travail est effectué sur le système).

Application du premier principe:

1- Processus isochore, isobare, isotherme et adiabatique:

  • Processus isochore : Volume constant (ΔV=0\Delta V = 0). Dans ce cas, W=0W = 0 et ΔU=Q\Delta U = Q.
  • Processus isobare : Pression constante (ΔP=0\Delta P = 0). Le travail effectué est W=PΔVW = P\Delta V.
  • Processus isotherme : Température constante (ΔT=0\Delta T = 0). Pour un gaz parfait, ΔU=0\Delta U = 0 et Q=WQ = W.
  • Processus adiabatique : Aucun échange de chaleur (Q=0Q = 0). Dans ce cas, ΔU=W\Delta U = -W.

2- Calcul des variations d'énergie interne et d'enthalpie:

  • Variation d'énergie interne (ΔU\Delta U) : Dépend des capacités calorifiques à volume constant CvC_v. ΔU=nCvΔT\Delta U = nC_v\Delta T
  • Variation d'enthalpie (ΔH\Delta H) : Dépend des capacités calorifiques à pression constante CpC_p. ΔH=nCpΔT\Delta H = nC_p\Delta T
Calorimétrie:

1- Technique de mesure de la chaleur:

La calorimétrie est une technique utilisée pour mesurer la quantité de chaleur échangée lors d'un processus chimique ou physique. Les calorimètres sont les instruments utilisés à cet effet.

2- Calorimètre à volume constant (bombe calorimétrique):

  • Utilisé pour mesurer la chaleur de réaction à volume constant.
  • Constitué d'une chambre de réaction hermétique (bombe) immergée dans une quantité d'eau connue.
  • La variation de température de l'eau permet de calculer la chaleur de réaction, en utilisant la capacité calorifique de l'ensemble bombe-eau.

3- Calorimètre à pression constante (calorimètre à café):

  • Utilisé pour mesurer la chaleur de réaction à pression constante.
  • Constitué d'un récipient isolé (souvent un gobelet en polystyrène) contenant de l'eau.
  • La variation de température de l'eau permet de calculer la chaleur de réaction, en utilisant la capacité calorifique de l'eau.

Enthalpie de réaction:

1- Réactions exothermiques et endothermiques:

  • Réaction exothermique : Libère de la chaleur (ΔH<0\Delta H < 0). Exemple : combustion.
  • Réaction endothermique : Absorbe de la chaleur (ΔH>0\Delta H > 0). Exemple : décomposition thermique.

2- Diagrammes enthalpiques:

  • Les diagrammes enthalpiques illustrent les variations d'enthalpie lors d'une réaction chimique.
  • Les niveaux d'enthalpie des réactifs et des produits sont représentés, ainsi que la différence d'enthalpie (ΔH\Delta H).

 Loi de Hess:

1- Définition et applications:

La loi de Hess stipule que la variation d'enthalpie totale d'une réaction chimique est la même, quelle que soit la voie empruntée pour réaliser la réaction, tant que les conditions initiales et finales sont identiques. Cela permet de calculer les enthalpies de réaction à partir des enthalpies de formation.

2- Calculs de l'enthalpie de réaction à partir des enthalpies de formation:

  • Enthalpie standard de formation (ΔHf) : Variation d'enthalpie pour la formation d'un composé à partir de ses éléments dans leur état standard.
  • Calcul : En utilisant la loi de Hess, l'enthalpie de réaction (ΔHraction) peut être calculée comme suit : ΔHreˊaction=ΔHf0(produits)ΔHf0(reˊactifs)