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Les systèmes chimiques
Notion d’échanges entre un système chimique et le milieu
extérieur
On distingue les systèmes ouverts, fermés et isolés.
Un système chimique est isolé s’il n’y a échange ni de matière ni
d’énergie avec le milieu extérieur. Ce type de système est une idéalisation des
systèmes réels. Un système est ouvert s’il y a échange de matière et
d’énergie entre le système et le milieu extérieur. Un système est fermé
s’il y a uniquement échange d’énergie entre le système et le milieu
extérieur.
On se limitera ici à l’étude de systèmes chimiques fermés. Les
seuls échanges seront des échanges d’énergie : travail d’une force (W)
ou chaleur (Q). Par convention, le système compte pour lui l’énergie positive
lorsqu’il la reçoit, négative quand il la cède.
État d’un système chimique
Notion de variable d’état
Un système est décrit par des grandeurs appelées variables
d’état, comme la pression (P), la température (T), le volume occupé par un gaz
(V), l’entropie (S)... On distingue les variables intensives et extensives
selon :
- Une grandeur est extensive si elle est proportionnelle à la quantité de
matière. Elle est additive, comme les masses, les volumes...
- Une grandeur est intensive si elle est indépendante de la quantité de matière.
On distingue les grandeurs intensives physiques et les grandeurs intensives de
composition :
- les grandeurs intensives physiques caractérisent le milieu : il s’agit
de la température et de la pression.
- les grandeurs intensives de composition sont propres à la composition
chimique. Il s’agit des fractions molaires xi, des concentrations Ci,
des pressions partielles pi.
Homogénéité, hétérogénéité
La notion d’homogénéité ou d’hétérogénéité est
définie par rapport à la notion de phase. Une phase est une région de l’espace où
les grandeurs intensives sont des fonctions continues des trois coordonnées
d’espace. Dit autrement une phase est un milieu où il n’y a pas de
discontinuité de masse volumique, de température, des concentrations, etc.
Un système homogène est constitué d’une seule phase. On parle
de systèmes monophasiques. Un mélange de gaz ou de liquides miscibles est monophasique.
Un système hétérogène est constitué de plusieurs phases. On parle
de systèmes biphasiques, triphasiques ou polyphasiques. Deux liquides non miscibles
forment un système biphasique. Un mélange de plusieurs solides est un système
polyphasique.
Transformation du système
Réaction chimique et
nombres stoechiométriques
Avancement x d’une réaction chimique
Nature des équilibres
En général, les conditions ne sont pas celles d’une
transformation réversible (ou quasi-statique). On appelle transformation quasi-statique
une transformation au cours de laquelle le système est à chaque instant en état
d’équilibre. Ce serait une réaction infiniment lente. Une variation infinitésimale
d’une grandeur de réaction inverse le sens de réaction.
Certaines réactions comme les réactions de combustion sont des
réactions irréversibles. Lorsque la température du système varie, il n’y a pas
d’équilibre varie. Lorsque la pression varie, il n’y a pas d’équilibre
mécanique.
Les
systèmes idéaux
Bibliographie
- Couture L. et Zitoun R. 1995 - Remarques pédagogiques relatives au
concept d'extensivité - J. Chem. Educ, 777, p. 1505-1512.
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