Dans l’étude de la thermodynamique et de la chimie, le concept de systèmes fermés apparaît comme un pilier fondamental pour la compréhension détaillée des processus énergétiques et des réactions chimiques.
Ces systèmes, caractérisés par leur incapacité à échanger de la masse avec leur environnement, mais permettant l'échange d'énergie, jouent un rôle essentiel dans diverses disciplines scientifiques.
Cet article approfondira la nature et les applications des systèmes fermés, explorant leur pertinence dans la formulation de lois thermodynamiques, la prédiction des réactions chimiques et leur impact sur l'ingénierie et la recherche scientifique.
Définition : Qu'est-ce qu'un système fermé ?
Un système fermé est un concept fondamental en thermodynamique et en sciences physiques qui décrit un environnement qui n'échange pas de masse avec son environnement, mais permet l'échange d'énergie. Dans ce type de système, la masse totale reste constante, mais l’énergie peut être transférée sous forme de chaleur ou de travail.
La première loi de la thermodynamique stipule que l'énergie interne d'un système fermé reste constante s'il n'y a pas d'échange d'énergie avec son environnement.
Cette définition s'applique à un large éventail de disciplines, de la physique à la chimie, fournissant un cadre pour comprendre et analyser les processus et réactions énergétiques.
Systèmes fermés en thermodynamique
Lorsqu'on travaille avec des systèmes fermés en thermodynamique, il est possible d'étudier précisément comment l'énergie interne du système change en raison du transfert de chaleur ou du travail effectué.
Ceci s'exprime mathématiquement par l'équation :
\[ \Delta U=Q−W \]
où
- ΔU est le changement d’énergie interne.
- Q est la chaleur transférée au système.
- W est le travail effectué par le système.
Systèmes fermés en chimie
En considérant un système fermé contenant des réactifs et des produits, il est possible d'appliquer les principes de la thermodynamique pour prédire le déroulement de la réaction et comprendre comment l'énergie est redistribuée au cours du processus.
La notion d'enthalpie (H), qui représente la quantité totale d'énergie d'un système à pression constante, est particulièrement pertinente dans ce contexte. Le changement d'enthalpie, ΔH, est lié à la quantité de chaleur absorbée ou libérée lors d'une réaction chimique à pression constante. Si ΔH est négatif, la réaction est exothermique, libérant de la chaleur dans l’environnement. Au contraire, si ΔH est positif, la réaction est endothermique, absorbant la chaleur de l’environnement.
L’application des systèmes fermés en chimie nous permet de comprendre non seulement la direction d’une réaction, mais aussi les conditions dans lesquelles elle se déroule.
Exemples de systèmes fermés
Les systèmes fermés sont des concepts applicables dans diverses disciplines, de la physique à la biologie, et se manifestent dans des situations quotidiennes.
Nous présentons ici des exemples illustratifs de systèmes fermés dans différents contextes :
- Thermos à café : Un thermos rempli de café est un système fermé en termes de transfert de masse, puisqu'il ne laisse ni entrer ni sortir de liquide. Cependant, il peut échanger de la chaleur avec l’environnement, gardant la boisson au chaud grâce à son isolation thermique.
- Cycle de réfrigération du réfrigérateur : Dans un système de réfrigération, le fluide frigorigène circule en boucle fermée. Bien qu'aucun réfrigérant ne soit perdu, le système échange de la chaleur avec son environnement pour refroidir un espace spécifique.
- Écosystème dans un aquarium : Bien que la quantité d'eau et d'organismes reste constante, des échanges d'énergie et de nutriments se produisent avec l'environnement, comme la lumière pour la photosynthèse et l'absorption des nutriments de l'eau.
- Cylindre à piston dans un moteur thermique : Dans un moteur à combustion interne, le cylindre avec le mélange air-carburant est un système fermé pendant la phase de combustion. Bien qu’il n’y ait pas d’échange de masse, un travail mécanique et un transfert de chaleur se produisent.
Système solaire : À l'échelle astronomique, le système solaire peut être considéré comme un système fermé en termes de masse, puisque la plupart des corps célestes maintiennent leur orbite sans échanger de masse significative. Cependant, l’énergie circule continuellement du Soleil vers les planètes.
- Ballon de réaction en chimie : Un ballon fermé dans un laboratoire de chimie, utilisé pour réaliser des réactions, est un système fermé en termes de masse de réactifs et de produits, bien qu'il puisse échanger de l'énergie sous forme de chaleur avec son environnement.
- Chauffe-eau solaire : Un chauffe-eau solaire est constitué de tubes collecteurs remplis d'un fluide qui absorbe le rayonnement solaire. Bien que le fluide puisse transférer de la chaleur à l'eau via un échangeur de chaleur, le système lui-même maintient un cycle fermé, empêchant ainsi la perte de masse.
- Univers : L'univers est le seul système qui peut être considéré comme totalement fermé. Malgré les interactions et transformations constantes de l’énergie au sein de l’univers, la quantité totale de matière reste constante à l’échelle astronomique.
Relation avec les lois de la thermodynamique et de la physique
Dans l’étude des systèmes fermés, il convient de mentionner la relation entre ces systèmes et les deux premières lois de la thermodynamique. Dans ce contexte, la loi de conservation de la masse et l'équation énergétique d'Einstein sont également importantes.
Première loi de la thermodynamique
Selon la première loi de la thermodynamique, la variation de l'énergie interne dans les systèmes fermés est la somme algébrique du travail effectué sur le système et de la chaleur ajoutée au système. Cette loi établit un principe de base de conservation de l'énergie, fournissant une base pour analyser et quantifier les changements énergétiques dans de tels systèmes.
Deuxième principe de la thermodynamique
La deuxième loi de la thermodynamique postule que l'entropie d'un système fermé a tendance à augmenter avec l'absorption de chaleur et la dissipation du travail. Ce principe reflète la tendance naturelle des systèmes vers des états de plus grand désordre ou caractère aléatoire, fondant le concept d'irréversibilité dans de nombreux processus.
Conservation de la pâte
Dans les systèmes fermés, le principe de conservation de la masse de la physique classique s'applique également, où la masse du système reste constante.
Physique relativiste : l'équation d'Einstein
En physique relativiste, une perspective supplémentaire est introduite : la diminution du contenu énergétique d'un système entraîne automatiquement une diminution de la masse du système, selon la célèbre équation d'Einstein E=mc².
Cet aspect révèle l’interconnexion entre la masse et l’énergie, offrant ainsi un aperçu plus approfondi des environnements où des vitesses proches de la vitesse de la lumière sont pertinentes.