Physique statistique classique
Énergie interne et enthalpie
L’énergie interne U est l’énergie microscopique du système ; l’enthalpie H=U+pV est un potentiel thermodynamique utile à pression constante。
L’énergie interne U est l’énergie microscopique du système ; l’enthalpie H=U+pV est un potentiel thermodynamique utile à pression constante。
Définition: Grandeurs et interprétation
U comprend les énergies cinétique et potentielle microscopiques, non l’énergie macroscopique du système. Pour un système compressible simple avec le seul travail pV réversible, dU=T dS−p dV et dH=T dS+V dp. À pression constante, la variation d’enthalpie égale la chaleur échangée si seul le travail pV intervient.
Relation quantitative
Exemple: Exemple
Une mole de gaz parfait monoatomique est chauffée à pression constante de ΔT=10 K. Calculez ΔH avec Cₚ=5R/2.
Solution
ΔH=nCₚΔT=(1)(5R/2)(10 K)≈208 J.
Exemple: Exemple : gaz dans un réchauffeur
On chauffe une mole de gaz parfait monoatomique de 300 K à 360 K à pression constante. Avec Cₚ=5R/2 et seulement un travail pV, la chaleur fournie vaut Qₚ=ΔH=nCₚΔT. En prenant R=8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹, on obtient Qₚ≈1×(5/2)×8,314×60≈1,25 kJ. Cette énergie augmente l’énergie interne et fournit aussi le travail d’expansion.
À température et volume fixes, la capacité thermique à volume constant suit directement la variation d’énergie interne, tandis qu’à pression constante elle est liée à l’enthalpie. Pour un gaz parfait chauffé à pression constante, une partie de la chaleur fournit aussi le travail d’expansion : Cₚ−Cᵥ=R par mole. L’enthalpie n’est donc pas de la « chaleur stockée » dans un corps, mais une fonction d’état commode lorsque la pression est contrôlée. Dans les liquides et les solides, la dilatation thermique est faible ; les deux capacités sont souvent proches, mais leur écart dépend de la compressibilité et de la dilatation. Les tables de vapeur et les calculs d’écoulement utilisent l’enthalpie pour simplifier les bilans d’énergie. L’enthalpie est donc centrale pour les turbines et les échangeurs thermiques.
Vérification rapide
Pour un système simple à pression constante avec seul travail pV, à quoi correspond la variation d’enthalpie ?
Quelle équation définit l’enthalpie ?
Références
- Charles Kittel and Herbert Kroemer (1980). Thermal Physics
- L. D. Landau and E. M. Lifshitz (1980). Statistical Physics