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Physique statistique classique

Énergies libres de Helmholtz et de Gibbs

Visualisez les potentiels thermodynamiques F=U−TSF=U-TS et G=H−TSG=H-TS en fonction de la température et d'un paramètre de contrôle, puis identifiez les états d'équilibre aux minima décrits par dF=−S dT−p dVdF=-S\,dT-p\,dV et dG=−S dT+V dpdG=-S\,dT+V\,dp.

Licence

Matériel

  • Deux canevas synchronisés : vue de surface 3D et graphe quantitatif normalisé
  • Curseur « température »
  • Curseur « paramètre » (volume ou pression)

Protocole

  1. Trouver le minimum de F

    Fixez le curseur de température et déplacez le paramètre pour voir la courbe d'énergie libre réagir sur le graphe inférieur. Un système à T et V fixes se stabilise là où FF est minimal, car dF=−S dT−p dVdF=-S\,dT-p\,dV s'annule à l'équilibre : le minimum est l'état d'équilibre.

  2. Augmenter la température

    Augmentez lentement le curseur de température et observez la contribution −TS-TS croître : à haute T l'état de plus grande entropie est favorisé, et la position du minimum peut se déplacer. Comparez les courbes à basse et haute T et repérez où la balance entre U et TSTS bascule.

  3. Passer au point de vue de Gibbs

    Lisez la deuxième figure comme l'analogue à pression contrôlée : à T et p fixes, le potentiel pertinent est G=H−TSG=H-TS avec dG=−S dT+V dpdG=-S\,dT+V\,dp. Prédisez si le paramètre d'équilibre doit se déplacer comme pour F, puis vérifiez en balayant à nouveau le curseur.

Simulation

Histoire de l’expérience

Hermann von Helmholtz introduisit son énergie libre dans les années 1880 en étendant le principe d'énergie à la chimie : à température et volume fixés, F=U−TSF=U-TS mesure le travail maximal qu'un système peut fournir. Le nom renvoie à la part d'énergie « libre », non enfermée en chaleur irrécupérable. Josiah Willard Gibbs généralisa l'idée entre 1875 et 1878 dans son mémoire On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, définissant G=H−TSG=H-TS pour les conditions de température et pression fixées — le cadre naturel de la chimie de laboratoire. Les potentiels de Gibbs ramènent les critères d'équilibre à de simples règles de minimisation et fondent la thermodynamique chimique.

Physiciens associés

Rudolf ClausiusWilliam Thomson (Lord Kelvin)James Prescott JouleJosiah Willard Gibbs

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