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RÉSUMÉ
Cet article pose les bases de la thermodynamique chimique dont l’objet est de décrire les relations entre les propriétés de la matière. Plus particulièrement, le lecteur y trouvera décrit le formalisme de la discipline (définitions et description d’un système, de son état), les principes de la thermodynamique avec une attention particulière portée aux bilans d’énergie et d’entropie, les relations mathématiques permettant de relier entre elles les propriétés de la matière et les différentielles associées ainsi qu’une introduction aux équilibres thermodynamiques (de phases, chimiques et osmotiques).
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Romain PRIVAT : Enseignant-chercheur à l’université de Lorraine, Nancy, France - École européenne d’ingénieurs en génie des matériaux (EEIGM) - École nationale supérieure des industries chimiques (ENSIC), Laboratoire réactions et génie des procédés (LRGP, UMR 7274)
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Jean-Noël JAUBERT : Enseignant-chercheur à l’université de Lorraine, Nancy, France - École nationale supérieure des industries chimiques (ENSIC), Laboratoire réactions et génie des procédés (LRGP, UMR 7274)
INTRODUCTION
Par opposition à la thermodynamique énergétique, le terme « thermodynamique chimique » doit être interprété comme la part du vaste domaine de la thermodynamique consacrée à l’étude des propriétés de la matière et, en particulier, de ses propriétés énergétiques et de ses équilibres de phase.
Dans cet article, nous présentons les notions de base, définitions et relations fondamentales, en thermodynamique chimique et plus particulièrement :
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le vocabulaire du domaine en insistant sur la notion d’état thermo-dynamique ;
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les relations et méthodes mathématiques utiles pour exprimer les différentielles des grandeurs thermodynamiques, définir les grandeurs molaires partielles et les relier aux grandeurs molaires totales, relier entre elles les différentes propriétés de la matière ;
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les postulats de la thermodynamique, du principe d’ordre zéro au 3e principe ; une attention particulière est portée à la définition de l’entropie et à son interprétation physique ;
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la notion d’équilibre thermodynamique assortie de la présentation des critères d’instabilités mécanique et thermique locales.
Cet article a été construit de manière à fournir au lecteur toutes les notions préalables aux études thermodynamiques des procédés de l’industrie chimique ou de production d’énergie.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 1984 par Jean-Pierre CORRIOU
- Version archivée 2 de févr. 2004 par Jean-Pierre CORRIOU
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6. Conclusion
Cet article a pour ambition de poser les bases conceptuelles et mathématiques de la thermodynamique chimique (vue comme la partie de la thermodynamique dédiée à l’étude des propriétés de la matière).
Il effleure un certain nombre de thématiques dont le lecteur trouvera le prolongement dans d’autres articles de la collection. Ainsi :
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cet article pose les bases de l’écriture des bilans d’énergie et d’entropie et mentionne les bilans d’exergie. Le lecteur intéressé par le thème de l’analyse des irréversibilités des procédés chimiques et énergétiques pourra alors se diriger vers les articles traitant de l’analyse exergétique des procédés ;
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il traite également des équilibres thermodynamiques (chimiques, polyphasiques, osmotiques) et tente, en particulier, d’ouvrir la voie à la compréhension des diagrammes de phases du corps pur représentés dans les plans (P, T), (P, v), (h, s), (T, s) et (P, h), abondamment utilisés en énergétique pour décrire les cycles des fluides dans des machines thermiques (moteurs, réfrigérateurs, pompes à chaleur). On notera que les particularités des iso-courbes (isothermes, isentropes, isochores etc.) tracées dans ces plans s’interprètent à l’aune des expressions des différentielles présentées dans cet article ;
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enfin, cet article cherche également à présenter les fondements de la modélisation thermodynamique et en particulier, des approches γ – φ et φ – φ décrites dans d’autres articles de la collection. La compréhension des relations entre grandeurs molaires totales et grandeurs molaires partielles, la notion de fonction caractéristique et les concepts de mélange de gaz parfaits et de solution idéale sont fondamentaux pour comprendre l’esprit de ces approches.
Bien entendu, cette liste de thématiques n’est pas exhaustive. Nous conclurons cet article par cette citation de Jacques Dellacherie, Professeur de thermodynamique à l’ENSIC de Nancy jusqu’en 2001 : « La thermodynamique n’est pas tout mais elle est partout ».
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PRAUSNITZ (J.M.), LICHTENTHALER (R.N.), de AZEVEDO (E.G.) - Molecular thermodynamics of fluid-phase equilibria. - 3rd ed., Prentice-Hall international series in the physical and chemical engineering sciences, Prentice Hall PTR : Upper Saddle River, N.J (1999).
-
(2) - O’CONNELL (J.P.), HAILE (J.M.) - Thermodynamics : fundamentals for applications. - 1. paperback ed. (with corr.)., Cambridge Univ. Press, Cambridge (2011).
-
(3) - PRIGOGINE (I.), DEFAY (R.) - Chemical thermodynamics. - Longman, London (1973).
-
(4) - PITZER (K.S.) - Thermodynamics. - 3rd ed., McGraw-Hill series in advanced chemistry, McGraw-Hill, New York (1995).
-
(5) - SMITH (J.M.), VAN NESS (H.C.), ABBOTT (M.M.) - Introduction to chemical engineering thermodynamics. - 7. ed., International ed., McGraw-Hill chemical engineering series, McGraw-Hill, Boston, Mass. (2005).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Centre thermodynamique des procédés (Mines Paristech, Fontainebleau, France) : https://www.ctp.minesparis.psl.eu/
Équipe thermodynamique et énergie du LRGP (CNRS, université de Lorraine, Nancy, France) : https://lrgp-nancy.cnrs.fr/?page_id=1126
Équipe thermodynamique et interactions moléculaires de l’institut de chimie de Clermont-Ferrand (CNRS, université Clermont Auvergne, Clermont-Ferrand, France) : https://iccf.uca.fr
Laboratoire des fluides complexes et leurs réservoirs (CNRS, Total, université de Pau et des pays de l’Adour, Pau, France) : https://lfc.univ-pau.fr/
Center for energy resources engineering (DTU, Lyngsby, Danemark) : https://www.cere.dtu.dk/
Groupe de thermodynamique / modélisation moléculaire de l’IFPEN (Rueil-Malmaison, France) : https://www.ifpenergiesnouvelles.fr
Thermodynamics and transport phenomena laboratory (National Technical University of Athens, Athènes, Grèce) : http://ttpl.chemeng.ntua.gr
PATh group, CICECO – Aveiro Institute of Materials (university of Aveiro, Portugal) : http://path.web.ua.pt/
Institute of technical thermodynamics and thermal...
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