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Système, environnement et énergieLa thermodynamique chimique étudie les échanges d'énergie entre un système (la réaction chimique) et son environnement. Le système peut être ouvert, fermé ou isolé selon qu'il échange matière et/ou énergie. Le premier principe affirme que l'énergie totale se conserve : toute variation d'énergie interne ΔU du système est égale à la somme de la chaleur Q et du travail W échangés. On adopte une convention de signe : Q > 0 si le système reçoit de la chaleur, W > 0 si le système reçoit du travail.
📖 Définition
Système : partie de l'univers étudiée (ex : réactifs dans un bécher).
📢 Rappel
Travail W : souvent travail des forces de pression, W = -PΔV à pression constante.
💡 À retenir : L'énergie ne se crée ni ne se perd, elle se transforme.
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Chaleur et enthalpieÀ pression constante, la chaleur échangée Qp correspond à la variation d'enthalpie ΔH. Une réaction exothermique libère de la chaleur (ΔH < 0), tandis qu'une réaction endothermique en absorbe (ΔH > 0). L'enthalpie est une fonction d'état : ΔH = H(produits) - H(réactifs). On peut calculer ΔH à partir des enthalpies standard de formation ΔH°f. La loi de Hess permet de combiner plusieurs équations pour obtenir ΔH d'une réaction.
🔍 Exemple
La combustion du méthane : CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O, ΔH° = -890 kJ/mol (exothermique).
⭐ À retenir
L'enthalpie standard de formation d'un corps simple dans son état standard est nulle.
💡 À retenir : ΔH < 0 : réaction exothermique (dégage de la chaleur).
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Entropie et second principeL'entropie mesure le désordre d'un système. Le second principe énonce que l'entropie totale (système + environnement) d'un processus spontané augmente toujours : ΔS_univ > 0. Un système tend vers un désordre maximal. L'entropie augmente lors d'une fusion (solide → liquide) ou d'une vaporisation. On peut calculer ΔS° à partir des entropies molaires standard.
🔍 Exemple
La dissolution d'un sel dans l'eau augmente le désordre : ΔS > 0.
📢 Rappel
L'entropie s'exprime en J·K⁻¹·mol⁻¹.
💡 À retenir : ΔS_univ = ΔS_sys + ΔS_surr > 0 pour un processus spontané.
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Critère de spontanéitéL'enthalpie libre G = H - TS combine enthalpie et entropie. À T et P constantes, une réaction est spontanée si ΔG < 0. À l'équilibre, ΔG = 0. La relation avec la constante d'équilibre K est : ΔG° = -RT ln K. Si K > 1, la réaction favorise les produits. La variation de température modifie K selon la loi de van't Hoff.
⭐ À retenir
ΔG° = -RT ln K ; R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹, T en Kelvin.
🔍 Exemple
Pour H₂O(l) ⇌ H₂O(g) à 100°C, ΔG° = 0, donc K = 1.
💡 À retenir : ΔG < 0 : réaction spontanée dans le sens direct.