Chimie · Classes prépa (CPGE) — 1ère année — TSI

Thermochimie : Second principe et évolution des systèmes chimiques

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Entropie ( $S$ ) : Fonction d'état extensive mesurant le désordre microscopique. Unité : $J \cdot K^{-1}$ .
Second principe : Pour tout système, la variation d'entropie totale est $\Delta S_{univ} = \Delta S_{sys} + \Delta S_{ext} = S_{créée} \geq 0$ .
Entropie de création : $S_{créée} \geq 0$ . Si $S_{créée} > 0$ , la transformation est irréversible. Si $S_{créée} = 0$ , elle est réversible.
Variation d'entropie standard d'une réaction : $\Delta_r S^\circ(T) = \sum \nu_i S^\circ_i(T)$ .
Critère d'évolution : Une réaction est spontanée si elle s'accompagne d'une création d'entropie positive.

Méthodes à maîtriser

Calculer $\Delta_r S^\circ$ à partir des entropies molaires standard.
Utiliser la relation $\Delta S = \frac{Q_{rev}}{T}$ pour des transformations réversibles.
Appliquer le second principe pour déterminer le sens d'évolution d'un système chimique.

Exemples corrigés

Calcul : Pour $A(g) \rightarrow B(g)$ , si $S^\circ_A = 150$ et $S^\circ_B = 200$ $J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$ , alors $\Delta_r S^\circ = 200 - 150 = 50$ $J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$ .
Interprétation : $\Delta_r S^\circ > 0$ indique une augmentation du désordre.

Erreurs fréquentes

Oublier de convertir la température en Kelvin ( $T = \theta + 273,15$ ).
Confondre $\Delta S_{sys}$ et $\Delta S_{univ}$ : le signe de $\Delta S_{sys}$ seul ne permet pas de conclure sur la spontanéité.
Oublier les coefficients stœchiométriques dans le calcul de $\Delta_r S^\circ$ .

L'essentiel du cours

Entropie ($S$) : Fonction d'état extensive mesurant le désordre microscopique. Unité : $J \cdot K^{-1}$.
Second principe : Pour tout système, la variation d'entropie totale est $\Delta S_{univ} = \Delta S_{sys} + \Delta S_{ext} = S_{créée} \geq 0$.
Entropie de création : $S_{créée} \geq 0$. Si $S_{créée} > 0$, la transformation est irréversible. Si $S_{créée} = 0$, elle est réversible.
Variation d'entropie standard d'une réaction : $\Delta_r S^\circ(T) = \sum \nu_i S^\circ_i(T)$.
Critère d'évolution : Une réaction est spontanée si elle s'accompagne d'une création d'entropie positive.

Méthodes à maîtriser

Calculer $\Delta_r S^\circ$ à partir des entropies molaires standard.
Utiliser la relation $\Delta S = \frac{Q_{rev}}{T}$ pour des transformations réversibles.
Appliquer le second principe pour déterminer le sens d'évolution d'un système chimique.

Exemples corrigés

Calcul : Pour $A(g) \rightarrow B(g)$, si $S^\circ_A = 150$ et $S^\circ_B = 200$ $J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$, alors $\Delta_r S^\circ = 200 - 150 = 50$ $J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$.
Interprétation : $\Delta_r S^\circ > 0$ indique une augmentation du désordre.

Erreurs fréquentes

Oublier de convertir la température en Kelvin ($T = \theta + 273,15$).
Confondre $\Delta S_{sys}$ et $\Delta S_{univ}$ : le signe de $\Delta S_{sys}$ seul ne permet pas de conclure sur la spontanéité.
Oublier les coefficients stœchiométriques dans le calcul de $\Delta_r S^\circ$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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🎯 Thermochimie : Second principe et évolution des systèmes chimiques

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Quelle est l'unité de l'entropie molaire standard ?

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref wach t-tafa3ol spontané wla la?

Hseb l-entropie li t-khelqat ( $S_{créée}$ ).
Ila kan $S_{créée} > 0$ , t-tafa3ol spontané.
Ila kan $S_{créée} = 0$ , t-tafa3ol f halat tawazon.

💡 À retenir : Spontanéité = Création d'entropie positive.

Hseb l-entropie li t-khelqat ($S_{créée}$).
Ila kan $S_{créée} > 0$, t-tafa3ol spontané.
Ila kan $S_{créée} = 0$, t-tafa3ol f halat tawazon.

💡 À retenir : Spontanéité = Création d'entropie positive.

Est-ce que l'entropie d'un système peut diminuer ?

Oui, l'entropie d'un système peut diminuer ( $\Delta S_{sys} < 0$ ) si le système cède de la chaleur à l'extérieur ou s'il s'ordonne (ex: cristallisation). Cependant, l'entropie totale de l'univers ( $\Delta S_{univ}$ ) doit toujours augmenter ou rester nulle.

💡 À retenir : $\Delta S_{sys} < 0$ est possible, mais $\Delta S_{univ} \geq 0$ est obligatoire.

Oui, l'entropie d'un système peut diminuer ($\Delta S_{sys} < 0$) si le système cède de la chaleur à l'extérieur ou s'il s'ordonne (ex: cristallisation). Cependant, l'entropie totale de l'univers ($\Delta S_{univ}$) doit toujours augmenter ou rester nulle.

💡 À retenir : $\Delta S_{sys} < 0$ est possible, mais $\Delta S_{univ} \geq 0$ est obligatoire.

Chno hiya l-farq bin l-entropie d-nizam o l-entropie d-l-wasat?

Entropie d-nizam ( $S_{sys}$ ) hiya l-fawda d-l-mawadd d-l-kimiya.
Entropie d-l-wasat ( $S_{ext}$ ) hiya l-fawda li kat-t-khelq f l-wasat bsbab t-tabadol d-l-harara ( $Q$ ).

💡 À retenir : $S_{ext} = -Q_{sys} / T$ .

Entropie d-nizam ($S_{sys}$) hiya l-fawda d-l-mawadd d-l-kimiya.
Entropie d-l-wasat ($S_{ext}$) hiya l-fawda li kat-t-khelq f l-wasat bsbab t-tabadol d-l-harara ($Q$).

💡 À retenir : $S_{ext} = -Q_{sys} / T$.

Kifach n-hseb Delta S dyal t-tafa3ol?

Hseb l-majmou3 dyal l-entropies dyal n-nawatij ( $S^\circ_{prod}$ ).
Hseb l-majmou3 dyal l-entropies dyal l-motaf a3ilat ( $S^\circ_{react}$ ).
Dir $\Delta_r S^\circ = \sum \nu_i S^\circ_{prod} - \sum \nu_j S^\circ_{react}$ .

💡 À retenir : Toujours multiplier par les coefficients stœchiométriques.

Hseb l-majmou3 dyal l-entropies dyal n-nawatij ($S^\circ_{prod}$).
Hseb l-majmou3 dyal l-entropies dyal l-motaf a3ilat ($S^\circ_{react}$).
Dir $\Delta_r S^\circ = \sum \nu_i S^\circ_{prod} - \sum \nu_j S^\circ_{react}$.

💡 À retenir : Toujours multiplier par les coefficients stœchiométriques.

Pourquoi l'entropie est-elle une fonction d'état ?

Parce que sa variation ne dépend que de l'état initial et de l'état final du système, et non du chemin suivi pour passer de l'un à l'autre.

💡 À retenir : $\Delta S = S_{finale} - S_{initiale}$ .

Parce que sa variation ne dépend que de l'état initial et de l'état final du système, et non du chemin suivi pour passer de l'un à l'autre.

💡 À retenir : $\Delta S = S_{finale} - S_{initiale}$.

L'entropie d'un cristal parfait à 0 K est-elle nulle ?

Oui, selon le troisième principe de la thermodynamique (principe de Nernst), l'entropie d'un corps pur cristallisé à 0 K est nulle.

💡 À retenir : $S(0 K) = 0$ pour un cristal parfait.

Oui, selon le troisième principe de la thermodynamique (principe de Nernst), l'entropie d'un corps pur cristallisé à 0 K est nulle.

💡 À retenir : $S(0 K) = 0$ pour un cristal parfait.

Est-ce que Delta S dépend de la température ?

Oui, les valeurs des entropies molaires standard $S^\circ(T)$ dépendent de la température. Pour des variations de température, on utilise la capacité thermique.

💡 À retenir : $S(T_2) = S(T_1) + \int_{T_1}^{T_2} \frac{C_p}{T} dT$ .

Oui, les valeurs des entropies molaires standard $S^\circ(T)$ dépendent de la température. Pour des variations de température, on utilise la capacité thermique.

💡 À retenir : $S(T_2) = S(T_1) + \int_{T_1}^{T_2} \frac{C_p}{T} dT$.

Wach l-entropie kat-t-hseb b Joule?

Non, l'unité est le Joule par Kelvin ( $J \cdot K^{-1}$ ).

💡 À retenir : L'entropie est une énergie divisée par une température.

Non, l'unité est le Joule par Kelvin ($J \cdot K^{-1}$).

💡 À retenir : L'entropie est une énergie divisée par une température.

Qu'est-ce qu'une transformation réversible ?

C'est une transformation idéale où le système est à chaque instant en équilibre avec l'extérieur. La création d'entropie y est nulle ( $S_{créée} = 0$ ).

💡 À retenir : Réversible = Équilibre permanent.

C'est une transformation idéale où le système est à chaque instant en équilibre avec l'extérieur. La création d'entropie y est nulle ($S_{créée} = 0$).

💡 À retenir : Réversible = Équilibre permanent.

Comment le désordre influence-t-il l'entropie ?

Plus un système est désordonné (ex: gaz par rapport à un solide), plus son entropie est élevée.

💡 À retenir : Gaz > Liquide > Solide.

Est-ce que la pression influence l'entropie ?

Oui, pour les gaz, l'entropie augmente quand la pression diminue (le gaz occupe plus de volume, donc plus de désordre).

💡 À retenir : $S$ augmente quand $V$ augmente.

Oui, pour les gaz, l'entropie augmente quand la pression diminue (le gaz occupe plus de volume, donc plus de désordre).

💡 À retenir : $S$ augmente quand $V$ augmente.

Pourquoi le second principe est-il important en chimie ?

Il permet de prédire si une réaction chimique peut se produire spontanément dans des conditions données.

💡 À retenir : Sans second principe, on ne saurait pas si une réaction est possible.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit la réaction de synthèse de l'ammoniac : $N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)$ à 298 K. Données : $S^\circ(N_2) = 191,6 \, J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$ , $S^\circ(H_2) = 130,7 \, J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$ , $S^\circ(NH_3) = 192,5 \, J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$ .

Calculer $\Delta_r S^\circ$ à 298 K.
Commenter le signe obtenu.

Exercice 1

Soit la réaction de synthèse de l'ammoniac : $N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)$ à 298 K. Données : $S^\circ(N_2) = 191,6 , J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$, $S^\circ(H_2) = 130,7 , J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$, $S^\circ(NH_3) = 192,5 , J \cdot K^{-1} \cdot mol^{-1}$.

Calculer $\Delta_r S^\circ$ à 298 K.
Commenter le signe obtenu.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Un système échange une chaleur $Q = -500 \, J$ avec un thermostat à $T = 300 \, K$ . Calculer la variation d'entropie de l'extérieur.

Exercice 2

Un système échange une chaleur $Q = -500 , J$ avec un thermostat à $T = 300 , K$. Calculer la variation d'entropie de l'extérieur.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Soit une transformation où $\Delta S_{sys} = 50 \, J \cdot K^{-1}$ et $\Delta S_{ext} = -20 \, J \cdot K^{-1}$ .

Calculer $\Delta S_{univ}$ .
La transformation est-elle spontanée ?

Exercice 3

Soit une transformation où $\Delta S_{sys} = 50 , J \cdot K^{-1}$ et $\Delta S_{ext} = -20 , J \cdot K^{-1}$.

Calculer $\Delta S_{univ}$.
La transformation est-elle spontanée ?

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

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Description d'un système physico-chimique Architecture de l'atome Classification périodique des éléments Architecture des molécules : Modèle de Lewis et géométrie VSEPR Interactions intermoléculaires et états de la matière Cristallographie : Le modèle du cristal parfait Cinétique chimique : Vitesses de réaction et lois de vitesse Cinétique chimique : Mécanismes réactionnels Réactions acido-basiques en solution aqueuse Réactions de précipitation Réactions de complexation Réactions d'oxydoréduction Thermochimie : Premier principe de la thermodynamique