ÉTUDE THERMODYNAMIQUE

Règle des phases de Gibbs

Règle des Phases de Gibbs Appliquée à un Système Binaire

Règle des phases de Gibbs appliquée à un système binaire

Comprendre la Règle des Phases de Gibbs

La règle des phases de Gibbs est une relation simple mais puissante qui permet de déterminer le nombre de variables intensives (comme la température, la pression ou la composition) que l'on peut fixer indépendamment tout en maintenant un système à l'équilibre. Ce nombre est appelé la variance ou le nombre de degrés de liberté du système. La règle est donnée par \(V = C - \phi + 2\), où \(C\) est le nombre de composants chimiques indépendants et \(\phi\) est le nombre de phases en équilibre. Cet exercice a pour but d'appliquer cette règle à un système binaire simple eau-éthanol.

Données de l'étude

On étudie le système binaire eau-éthanol, qui peut exister sous forme liquide, vapeur, ou les deux en équilibre.

Schéma : Équilibre Liquide-Vapeur Binaire
Phase Liquide Phase Vapeur P, T

Hypothèses :

  • Le système est constitué de deux composants : eau (1) et éthanol (2).
  • Les variables intensives sont la Pression (\(P\)), la Température (\(T\)), et la composition (fraction molaire \(x_i\)).
  • On suppose qu'il n'y a pas de réaction chimique entre l'eau et l'éthanol.

Questions à traiter

  1. Identifier le nombre de composants (\(C\)) du système.
  2. Appliquer la règle des phases de Gibbs pour calculer la variance (\(V\)) lorsque le système est entièrement liquide. Interpréter le résultat.
  3. Calculer la variance lorsque les phases liquide et vapeur sont en équilibre. Interpréter le résultat.
  4. On fixe la température du système à l'équilibre liquide-vapeur. Combien de degrés de liberté reste-t-il ? Que cela signifie-t-il pour la pression et la composition des phases ?

Correction : Règle des phases de Gibbs appliquée à un système binaire

Question 1 : Nombre de composants (\(C\))

Principe :

Le nombre de composants (\(C\)) est le nombre minimum de constituants chimiques indépendants nécessaires pour définir la composition de toutes les phases du système.

Analyse :

Le système est un mélange d'eau et d'éthanol. Ce sont deux espèces chimiques distinctes qui ne sont pas liées par une réaction chimique. Il faut donc deux constituants pour décrire la composition de n'importe quelle phase.

Résultat Question 1 : Le nombre de composants est \(C=2\).

Question 2 : Variance du système entièrement liquide

Principe :

On applique la règle des phases de Gibbs, \(V = C - \phi + 2\), où \(V\) est la variance, \(C\) le nombre de composants et \(\phi\) le nombre de phases.

Calcul :
  • Composants : \(C=2\)
  • Phases : \(\phi=1\) (uniquement la phase liquide)
\[ \begin{aligned} V &= C - \phi + 2 \\ &= 2 - 1 + 2 \\ &= 3 \end{aligned} \]

Interprétation : Une variance de 3 signifie qu'il faut fixer trois variables intensives pour définir complètement l'état du système. Par exemple, on peut choisir indépendamment la température (\(T\)), la pression (\(P\)) et la fraction molaire de l'un des composants (par exemple, \(x_{\text{éthanol}}\)). Une fois ces trois valeurs fixées, toutes les autres propriétés du système (masse volumique, viscosité, etc.) sont déterminées.

Résultat Question 2 : La variance est \(V=3\). On peut fixer indépendamment T, P et la composition du liquide.

Question 3 : Variance à l'équilibre liquide-vapeur

Principe :

On applique à nouveau la règle des phases, mais cette fois-ci, deux phases coexistent en équilibre.

Calcul :
  • Composants : \(C=2\)
  • Phases : \(\phi=2\) (phase liquide et phase vapeur)
\[ \begin{aligned} V &= C - \phi + 2 \\ &= 2 - 2 + 2 \\ &= 2 \end{aligned} \]

Interprétation : Une variance de 2 signifie que nous ne pouvons fixer indépendamment que deux variables intensives. Par exemple, si l'on fixe la température et la pression du système, la composition de la phase liquide (\(x_{\text{éthanol}}\)) ET la composition de la phase vapeur (\(y_{\text{éthanol}}\)) sont automatiquement déterminées par les lois de l'équilibre thermodynamique. On ne peut pas les choisir arbitrairement.

Résultat Question 3 : La variance est \(V=2\).

Question 4 : Degrés de liberté restants

Principe :

La variance calculée est le nombre de degrés de liberté initial. Chaque fois qu'on impose la valeur d'une variable intensive, on perd un degré de liberté.

Analyse :

Le système à l'équilibre liquide-vapeur a une variance initiale \(V=2\). Si l'on fixe une variable intensive (ici, la température), le nombre de degrés de liberté restants est :

\[ V' = V - 1 = 2 - 1 = 1 \]

Interprétation : Il ne reste plus qu'un seul degré de liberté. Cela signifie que si la température est fixée, on peut encore choisir une seule autre variable intensive, par exemple la composition du liquide (\(x_{\text{éthanol}}\)). Mais une fois cette dernière choisie, toutes les autres variables (pression totale, composition de la vapeur) sont imposées. Ou, si l'on choisit de fixer la pression, alors la température d'ébullition et les compositions des deux phases sont fixées.

Résultat Question 4 : Il reste 1 degré de liberté. Si T est fixée, la pression d'équilibre dépend de la composition, et vice-versa.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La "variance" d'un système thermodynamique représente...

2. Quelle est la variance de l'eau pure au point triple ?

3. Dans un mélange binaire liquide-vapeur, si l'on fixe la pression, quelle(s) variable(s) sont encore indépendantes ?


Glossaire

Règle des Phases de Gibbs
Relation mathématique, \(V = C - \phi + 2\), qui donne la variance (\(V\)) d'un système thermodynamique à l'équilibre en fonction du nombre de composants indépendants (\(C\)) et du nombre de phases (\(\phi\)).
Variance (V)
Aussi appelée degrés de liberté, c'est le nombre de variables intensives (température, pression, composition) qui peuvent être modifiées indépendamment sans perturber l'état d'équilibre du système (c'est-à-dire sans faire disparaître une phase).
Composant (C)
Constituant chimique indépendant nécessaire pour décrire la composition de chaque phase du système.
Phase (\(\phi\))
Région de l'espace dans laquelle toutes les propriétés physiques d'un système sont essentiellement uniformes. Exemples : phase solide, liquide, gazeuse.
Système Binaire
Système thermodynamique composé de deux composants chimiques (C=2).
Règle des Phases de Gibbs - Exercice d'Application

D’autres exercices de Thermodynamique Chimique:

Stabilité Relative des Allotropes du Soufre
Stabilité Relative des Allotropes du Soufre

Stabilité Relative des Allotropes du Soufre Stabilité Relative des Allotropes du Soufre Contexte : Pourquoi une même substance peut-elle exister sous différentes formes ? De nombreux éléments et composés peuvent exister sous différentes formes cristallines dans le...

Loi de Henry et la Dissolution des Gaz
Loi de Henry et la Dissolution des Gaz

Thermodynamique : Loi de Henry et Dissolution des Gaz Loi de Henry et la Dissolution des Gaz Contexte : Pourquoi les sodas pétillent-ils ? Le pétillement des boissons gazeuses est dû à la libération de dioxyde de carbone (CO₂) qui était dissous dans le liquide. Mais...

Cycle de Born-Haber et Énergie Réticulaire
Cycle de Born-Haber et Énergie Réticulaire

Thermodynamique : Cycle de Born-Haber et Énergie Réticulaire Cycle de Born-Haber pour l'énergie réticulaire d'un cristal ionique Contexte : La Stabilité des Cristaux Ioniques Un cristal ionique, comme le sel de table (NaCl), est une structure remarquablement stable....

Enthalpie de neutralisation d’un acide
Enthalpie de neutralisation d’un acide

Thermodynamique : Enthalpie de neutralisation d'un acide fort par une base forte Enthalpie de neutralisation d'un acide fort par une base forte Contexte : La Chaleur des Réactions Acido-Basiques La réaction entre un acide et une base, appelée neutralisation, est...

Affinité chimique et avancement de réaction
Affinité chimique et avancement de réaction

Thermodynamique : Affinité chimique et avancement de réaction Affinité chimique et avancement de réaction Contexte : Le Moteur des Réactions Chimiques Pourquoi une réaction chimique se produit-elle dans un sens plutôt que dans l'autre ? La réponse se trouve dans le...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *