CHIMIE

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COURS
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Applications du premier principe à la chimie
Doc. 1 L’énergie libérée par la
combustion du méthane sert à élever
la température des produits de
la combustion, mais aussi celle de
l’air environnant, et celle du tube
à essai et de son contenu.
injection du combustible H2 injection
du comburant O2 chambre de
combustion
produits de combustion
éjectés à grande vitesse
tuyère d'éjection
des produits
de combustion
Doc. 2 Principe de la propulsion
spatiale. La réaction entre le combustible
et le comburant sous pression
fournit des gaz dont la pression
et la température sont très élevées.
En se détendant dans une tuyère
spécialement profilée, ce mélange
gazeux acquiert de l’énergie cinétique
macroscopique. C’est sur
l’expulsion de gaz à grande vitesse
que repose le principe de la propulsion
spatiale.
combustible
H 2
H 2 +
vapeur
d'eau
circuit
d'utilisation
e– e–
anode – + cathode
K +
OH –
OH –
OH –
K +
K +
électrodes poreuses
électrolyte :
solution
de potasse
comburant
O 2
O 2 +
vapeur
d'eau
Doc. 3 Schéma de principe d’une
pile à combustible H 2 / O 2 .
1 Utilisation du Premier Principe
1.1 Échanges d’énergie d’un système
en réaction chimique
■ La flamme d’un bec Bunsen est le siège de la réaction d’équation :
CH 4 (g) + 2 O 2 (g) = CO 2 (g) + 2 H 2O (g)
Cette réaction libère de l’énergie qui est captée en partie par ses produits et,
pour une autre partie, par le milieu environnant (air, tube à essai, …) dont la
température s’élève (doc. 1).
■ Le gaz à l’eau est un mélange équimolaire de monoxyde de carbone et de
dihydrogène obtenu quand de la vapeur d’eau passe sur une couche de coke
(carbone utilisé dans l’industrie) chauffée au rouge :
C (s) + H 2O (g) = CO (g) + H 2 (g)
Cette réaction nécessite un apport permanent d’énergie thermique, captée par
ses réactifs et utilisée pour la transformation chimique.
■ L’énergie libérée par une réaction chimique n’est pas nécessairement
thermique. La réaction d’équation :
libère de l’énergie :
2 H 2 (g) + O 2 (g) = 2 H 2O (g)
• essentiellement sous forme thermique dans un chalumeau ;
• sous forme thermique dont une partie est aussi convertie en énergie cinétique
macroscopique dans les tuyères des moteurs de la fusée Ariane (doc. 2) ;
• sous forme thermique, mais aussi électrique, dans une pile à combustible
(doc. 3), comme celles qui équipent les missions spatiales ou certains véhicules
électriques.
Les manifestations énergétiques accompagnant le déroulement d’une réaction
chimique dépendent bien sûr du système chimique considéré (nature de la réaction,
proportions des réactifs), mais aussi de son environnement et en particulier
des propriétés de perméabilité des parois qui le délimitent.
1.2 Premier Principe de la Thermodynamique
La considération de l’énergie interne U permet d’établir des bilans énergétiques
pour des systèmes complexes en respectant le principe fondamental de conservation
de l’énergie :
L’énergie totale d’un système isolé se conserve.