Cette publication est accessible gratuitement
Lire

Définition de : ÉQUILIBRE, physique

De
6 pages
Article publié par Encyclopaedia Universalis ÉQUILIBRE, physique La notion d'équilibre recouvre en physique et en chimie diverses situations dans lesquelles des tendances contradictoires ont pour résultat le caractère constant des qualités mesurables d'un système. Nous distinguerons l'équilibre mécanique, l'équilibre chimique et l'équilibre thermodynamique. Les conditions d'équilibre et les processus d'approche de l'équilibre de systèmes peu éloignés de ces conditions sont généralement bien compris. Il n'en est pas de même des systèmes violemment hors d'équilibre, qui sont le sujet d'intenses mais difficiles recherches. Équilibre mécanique On dit qu'un ensemble matériel est en équilibre lorsque tous les paramètres repérant sa position restent constants au cours du temps. Cette définition serait proche de celle de l'immobilisme si l'on omettait la nécessité de préciser par rapport à quel repère on effectue la mesure de ces paramètres. En physique classique, il est important que le repère soit galiléen, et c'est effectivement l'existence d'un tel repère qui est affirmée dans le principe d'inertie de Galilée, selon lequel un corps qui n'est soumis à aucune action ni influence de la part d'autres corps est animé d'un mouvement rectiligne uniforme ou reste au repos.
Voir plus Voir moins

Vous aimerez aussi

Ch T2 Potentiels thermodynamiques Energie libre Enthalpie libre POTENTIELS THERMODYNAMIQUES ÉNERGIE LIBRE ENTHALPIE LIBRE LES POTENTIELS THERMODYNAMIQUES Introduction la néguentropie Nous étudierons dans ce chapitre les systèmes hors d'équilibre et leur évolution vers un état d'équilibre La recherche d'une position d'équilibre est un problème classique en mécanique quand un système mécanique est soumis des forces dérivant d'une énergie potentielle la recherche d'un minimum de cette énergie nous conduit aux états d'équilibre stable Existerait il alors en thermodynamique des fonctions jouant le même rôle et qu'on pourrait alors appeler potentiels thermodynamiques L'évolution d'un système thermodynamique est étudiée par le second principe Celui ci on l'a vu permet de distinguer les transformations idéales réversibles et les transformations réelles irréversibles Notons bien que si un système est hors d'équilibre il subit une transformation spontanée nécessairement irréversible A cette irréversibilité est associée une création d'entropie mais le terme de transfert est lui de signe quelconque Cependant si le système est isolé seul subsiste le terme de création un système isolé hors d'équilibre évolue toujours en augmentant son entropie S'il atteint un état d'équilibre son entropie dans cet état ne peut être que maximale Par analogie avec la mécanique on est alors tenté de définir une néguentropie S* S qui elle serait minimale l'équilibre Tout système isolé hors d'équilibre évolue vers un état d'équilibre qui correspond un minimum de la néguentropie S La néguentropie répond bien l'attente qu'on en avait elle joue le rôle pour un système isolé de potentiel thermodynamique indiquant par son minimum l'état d'équilibre du système Elle a cependant un gros défaut la nécessité de considérer un système isolé donc soumis des transformations internes uniquement ce qui n'est guère réalisé en pratique Il nous faut donc inventer de nouveaux potentiels thermodynamiques pour des systèmes non isolés

de pefav

ÉQUILIBRE, physique

La notion d'équilibre recouvre en physique et en chimie diverses situations dans lesquelles des tendances contradictoires ont pour résultat le caractère constant des qualités mesurables d'un système. Nous distinguerons l'équilibre mécanique, l'équilibre chimique et l'équilibre thermodynamique. Les conditions d'équilibre et les processus d'approche de l'équilibre de systèmes peu éloignés de ces conditions sont généralement bien compris. Il n'en est pas de même des systèmes violemment hors d'équilibre, qui sont le sujet d'intenses mais difficiles recherches.

Équilibre mécanique

On dit qu'un ensemble matériel est en équilibre lorsque tous les paramètres repérant sa position restent constants au cours du temps. Cette définition serait proche de celle de l'immobilisme si l'on omettait la nécessité de préciser par rapport à quel repère on effectue la mesure de ces paramètres. En physique classique, il est important que le repère soit galiléen, et c'est effectivement l'existence d'un tel repère qui est affirmée dans le principe d'inertie de Galilée, selon lequel un corps qui n'est soumis à aucune action ni influence de la part d'autres corps est animé d'un mouvement rectiligne uniforme ou reste au repos. Les conditions d'équilibre pour un solide sont alors la nullité d'une part de la résultante vectorielle de toutes les forces qui agissent sur lui et d'autre part de la somme des moments de ces forces par rapport à n'importe quel axe. La première condition implique l'absence de toute mouvement de translation accéléré, la seconde de tout mouvement de rotation. Les conditions d'équilibre d'un système mécanique ont été axiomatisées par Joseph Louis Lagrange dans la première partie de son traité La Mécanique analytique, paru en 1788. Il y énonce le principe dit des travaux virtuels selon lequel « la loi générale de l'équilibre dans les machines est que les forces soient entre elles réciproquement comme les vitesses des points où elles sont appliquées ». Cette formulation permet la résolution analytique de nombreux problèmes pratiques dans le domaine de la statique.

Équilibre chimique

La notion d'équilibre chimique est plus riche car elle ne sous-entend pas une totale inactivité du système. Si une réaction chimique entre divers corps est parfois complète, dans le sens qu'un des corps présents initialement est entièrement consommé après un temps suffisant, ce n'est pas toujours le cas. De façon très courante, une réaction chimique tend vers un état d'équilibre, où produits d'arrivée et produits de départ coexistent, leurs proportions n'évoluant plus au cours du temps. Dès 1803, Claude Berthollet a considéré qu'une équation chimique représente deux réactions inverses qui sont limitées l'une par l'autre, de sorte que le système de départ évolue vers un état d'équilibre où tous les participants sont présents en quantités déterminées. Ainsi, la synthèse du gaz ammoniac à partir d'azote et d'hydrogène est toujours accompagnée de sa dissociation, si bien que les trois corps coexistent. Cette notion s'est affinée après les travaux expérimentaux et théoriques des chimistes de la seconde moitié du xixe siècle.

L'étude théorique des conditions d'équilibre chimique entre dans le cadre de la thermodynamique classique et utilise la fonction d'état appelée enthalpie libre, grandeur dérivée de l'énergie et de l'entropie d'un système, qui permet de prédire et d'étudier l'évolution de ce dernier. Une diminution d'enthalpie libre, à température et à pression données, indique que les composants du système peuvent réagir entre eux. En revanche, si la valeur de l'enthalpie libre ne varie pas (la variation d'enthalpie tend vers zéro), le système n'évolue plus, et il est donc en équilibre. On démontre de plus que l'équilibre entre deux (ou plusieurs) phases suppose que le potentiel chimique, défini à partir de l'enthalpie libre, possède la même valeur pour chaque constituant dans les deux phases. Les proportions des constituants d'un système en équilibre chimique dépendent généralement de la température, de la pression et des proportions initiales. Si l'on modifie l'un de ces facteurs, l'équilibre se déplace, selon la règle établie par Henry Le Chatelier (1850-1936) : toute modification de l'un des facteurs de l'équilibre déplace cet équilibre dans un sens qui tend à s'opposer à la variation du facteur considéré. Par exemple, lorsqu'on accroît le volume d'une solution, on diminue les concentrations des espèces et le système réagit dans le sens de leur accroissement.

Équilibre thermodynamique

L'équilibre thermodynamique est l'état dans lequel les grandeurs physiques d'un système ne varient pas au cours du temps, étant entendu que la précision moyenne des méthodes d'investigation oblige à ignorer les fluctuations de ces grandeurs. On constate que, pour un système isolé, c'est l'état vers lequel il tend spontanément. Une caractérisation plus précise de l'équilibre thermodynamique fait appel à la notion de probabilité : si les grandeurs macroscopiques peuvent prendre différentes valeurs, leurs probabilités restent constantes au cours du temps. La physique statistique décrit un tel système par une fonction de distribution des probabilités de ses états stationnaires (au sens quantique du terme). Les caractéristiques physiques de ces états stationnaires doivent être compatibles avec des conditions imposées par leur isolement, fixant par exemple à une certaine valeur leur énergie totale. On étend cette notion à des systèmes non isolés en précisant qu'ils sont en équilibre pourvu qu'ils soient des sous-systèmes d'un système plus grand qui est lui-même isolé et en équilibre. On dit aussi que les différents sous-systèmes sont en équilibre entre eux.

Il est souvent utile de définir des états d'équilibre local, caractérisés par la possibilité de diviser le système en de petites régions telles que, à l'intérieur de chacune, le système se comporte comme si l'équilibre y régnait. Les régimes stationnaires étudiés en hydrodynamique par exemple sont d'ordinaire des états d'équilibre local. L'état d'équilibre contraint est un état d'équilibre local pour un système dans lequel on a introduit certaines contraintes macroscopiques virtuelles de façon à bloquer son évolution ultérieure. On peut, par exemple, imaginer un état d'équilibre contraint en séparant par une paroi rigide virtuelle deux régions d'un récipient contenant un gaz, chaque région étant caractérisée par des densités différentes. Cet artifice permet de définir les fonctions caractéristiques pour des états hors d'équilibre, et de caractériser le vrai équilibre thermodynamique par une condition d'extremum. S'il existe plusieurs extrema des fonctions caractéristiques, l'extremum absolu correspond à un état d'équilibre stable tandis que les extrema relatifs correspondent à des états d'équilibre métastable.

Auteur: Bernard PIRE
Un pour Un
Permettre à tous d'accéder à la lecture
Pour chaque accès à la bibliothèque, YouScribe donne un accès à une personne dans le besoin