L'enthalpie est couramment utilisée lors de l'étude des changements d'état mettant en jeu l'énergie d'un système dans de nombreux processus chimiques, biologiques et physiques.
Enthalpie libre
Si le système en réaction est opéré à température constante (isotherme), la chaleur de réaction sera échangée avec l'extérieur; le bilan entropique doit alors inclure le milieux extérieur avec lequel cette chaleur est échangée.
L'enthalpie (H) est l'énergie totale d'un système, soit la somme de tous les types d'énergie qu'il contient à pression constante. Elle est exprimée en joules (J) ou en kilojoules (kJ). Toute substance impliquée dans une réaction contient une certaine quantité d'énergie interne.
Lorsqu'une réaction absorbe de l'énergie, son enthalpie totale augmente. Il s'agit d'une variation d'enthalpie positive et on parle de réaction endothermique. Globalement, la température de l'environnement diminue. Lorsqu'une réaction libère de l'énergie, son enthalpie totale diminue.
L'enthalpie est nulle, c'est à dire qu'il n'y a plus d'énergie libérable par ces corps sous forme de chaleur par réaction chimique pour les corps purs simples dans leur état d'agrégation (assemblage) le plus stable* sous une pression = 1 bar (105 Pa).
Une réaction chimique qui a une enthalpie de réaction négative est dite exothermique, puisqu'elle libère de la chaleur dans l'environnement, alors qu'une réaction chimique dont l'enthalpie de réaction est positive est dite endothermique : elle nécessite un apport de chaleur pour se produire.
Si ∆S>0 la réaction provoque une augmentation d'entropie dans le système. Le désordre augmente dans le système. Si ∆S<0 la réaction provoque une diminution d'entropie dans le système. Le désordre diminue dans le système.
Le but de la thermodynamique est de caractériser la transformation de l'état d'un système entre un temps initial et un temps final, correspondant à deux états d'équilibre.
L'entropie créée au sein d'un système est toujours positive ou nulle. Pour une transformation élémentaire, δiS ≥ 0 et pour une transformation finie ΔiS ≥ 0. Pour une transformation réelle (donc irréversible), l'entropie créée est positive strictement (δiS>0).
La variation d'enthalpie molaire, Δ 𝐻 , peut être calculée en divisant l'énergie thermique transférée par le nombre de moles de substance qui réagit.
correspond au travail maximal qui peut être extrait d'un système fermé à température et pression fixes, hors le travail dû à la variation de volume. La fonction entropie peut être utilisée pour l'étude de l'évolution d'un système thermodynamique.
Ainsi, la variation d'enthalpie du système au cours d'une transformation est égale à la variation d'énergie interne à laquelle s'ajoute la variation du produit de la pression par le volume du système.
La thermodynamique classique définit l'entropie comme une grandeur extensive, ce qui signifie que l'on obtient l'entropie d'un système en faisant la somme des entropies de ses parties constituantes. . Le bilan entropique reste ainsi conforme au deuxième principe.
On utilise l'entropie pour quantifie où on en est dans cette évolution spontanée. Quand l'évolution est à son niveau le plus désordonné (donc les mouvements les plus aléatoires possibles), l'entropie est maximale (et l'énergie extractible est nulle).
Dans le cas d'une transformation réversible, la création globale d'entropie est nulle. L'entropie d'un système isolé ne peut qu'augmenter ou rester constante puisqu'il n'y a pas d'échange de chaleur avec le milieu extérieur.
Et ce concept va très loin. Pour dévoiler la fin, l'entropie sert à mesurer le désordre . La nature cherche le désordre, donc la plus grande entropie. L'entropie sert donc à prévoir dans quelle direction un processus va se dérouler.
La néguentropie(1) est l'opposée de l'entropie(2) : elle donne de l'énergie contenue dans un système thermodynamique la mesure non plus de son désordre mais de son organisation et de son aptitude à l'autostructuration.
L'entropie caractérise l'aptitude de l'énergie contenue dans un système à fournir du travail, ou plutôt son incapacité à le faire : plus cette grandeur est élevée, plus l'énergie est dispersée, homogénéisée et donc moins utilisable (pour produire des effets mécaniques organisés)(1).
La néguentropie est une « entropie négative », une variation générant une baisse du degré de désorganisation d'un système.
Le troisième principe de la thermodynamique, appelé encore le théorème de Nernstthéorème de Nernst, du nom du Prix Nobel qui l'a découvert en 1906, s'énonce de la façon suivante : "L'entropie d'un système quelconque peut toujours être prise égale à zéro à la température du zéro absolu".
Quelques modèles de chauffe-eau thermodynamiques (CET) les plus plébiscités : le chauffe-eau résistance blindée (300 L) de De Dietrich, le chauffe-eau thermodynamique de Airlis (270 L), le chauffe-eau thermodynamique stable Calypso connecté d'Atlantic (250 L) ou encore le chauffe-eau Aéromax 5 de Thermor (250 L).
Elle nous permet de comprendre et de prévoir les variations d'énergie entre différents systèmes en interaction grâce à des principes fondamentaux. Les applications de la thermodynamique sont nombreuses. On peut citer entre autres les machines thermiques (moteurs de voitures, réfrigérateurs, pompes à chaleur).
On a vu que pour effectuer un bilan entropique, il faut calculer la variation d'entropie entre l'état initial (P1,V1,T1) et l'état final (P2,V2,T2).
Le changement d'enthalpie d'une réaction dépend de l'état physique des réactifs et des produits de la réaction (que nous ayons des gaz, des liquides, des solides ou des solutions aqueuses), il faut donc les montrer.
Une réaction est dite thermodynamiquement favorable si sa constante d'équilibre est supérieure à un, c'est-à-dire si l'enthalpie libre standard de réaction est négative.