La caractéristique essentielle de l’équilibre thermique est que les propriétés macroscopiques du système sont stables, que la température est uniforme et qu’il n’y a pas de flux de chaleur net. Il s’agit d’un état stable dynamique et idéalisé qui peut être décrit par les lois de la thermodynamique. Cet état constitue non seulement la pierre angulaire de l’analyse thermodynamique, mais constitue également la base théorique permettant de définir la température et de mesurer la chaleur.
Principales caractéristiques de l’équilibre thermique :
Température constante (équilibre thermique) : La température est la même dans toutes les parties du système et entre le système et son environnement (en cas de contact). Il n’y a pas de transfert de chaleur dû aux différences de température. Il s’agit du critère le plus fondamental de l’équilibre thermique, dérivé de la loi zéro de la thermodynamique : si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième système, alors ils sont également en équilibre thermique l’un avec l’autre.
Aucun transfert de chaleur net macroscopique : bien que les particules microscopiques entrent constamment en collision et échangent de l'énergie, d'un point de vue macroscopique, il n'y a pas de flux de chaleur net au sein du système ou entre le système et son environnement. C'est-à-dire "l'absorption de chaleur=le dégagement de chaleur", permettant d'obtenir un bilan thermique.
Aucun transfert de chaleur net macroscopique : bien que les particules microscopiques entrent toujours en collision et échangent de l'énergie, d'un point de vue macroscopique, il n'y a pas de flux de chaleur net au sein du système ou entre le système et son environnement. C'est-à-dire "l'absorption de chaleur=le dégagement de chaleur", permettant d'obtenir un bilan thermique. Équilibre dynamique (équilibre thermodynamique) D'un point de vue microscopique, les molécules sont constamment en mouvement thermique aléatoire, échangeant continuellement de l'énergie, mais le système dans son ensemble présente une sorte d'« équilibre dynamique dans le calme ». Cet équilibre est appelé équilibre thermodynamique, résultat de lois statistiques.
Entropie maximale (dans les systèmes isolés) Selon la deuxième loi de la thermodynamique, les systèmes isolés tendent spontanément vers une entropie croissante. Lorsque l’équilibre thermique est atteint, l’entropie atteint sa valeur maximale possible dans ces conditions et le désordre du système est à son maximum. À ce stade, ΔS=0, et le processus est irréversible.
Énergie libre minimale de Gibbs (dans des conditions isothermes et isobares) Dans un environnement ouvert, le système tend vers l'état d'énergie libre minimale de Gibbs (G). Lorsque ΔG=0, le système atteint l'équilibre thermodynamique, auquel point ΔH=TΔS, indiquant que le changement d'enthalpie et le changement d'entropie sont en équilibre.
Existence de fluctuations Bien que macroscopiquement stable, en raison du mouvement aléatoire des particules microscopiques, l'état du système fluctue légèrement autour de la valeur d'équilibre, appelées fluctuations. Dans les systèmes macroscopiques, les fluctuations sont extrêmement faibles et généralement négligeables.
La base de la mesure de la température :
Étant donné que les systèmes en équilibre thermique ont la même température, nous pouvons utiliser un thermomètre pour mesurer la température d'un objet inconnu par contact thermique. Ce principe constitue la base physique de toutes les mesures de température.
Classification et conditions d'équilibre thermique :
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Type d'équilibre |
Condition |
Manifestation |
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Equilibre thermique |
Température uniforme |
pas de transfert de chaleur |
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Equilibre mécanique |
Pression uniforme |
pas de différence de force macroscopique, pas de changement de volume ni d'accélération |
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Équilibre chimique |
Potentiel chimique égal |
aucune transformation de substance ni changement de concentration |
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Equilibre des phases |
Potentiel chimique égal de chaque phase |
pas de changement de phase (par exemple, coexistence de l'eau et de la glace) |
Ce n’est que lorsque toutes les conditions d’équilibre ci-dessus sont remplies simultanément que le système est véritablement en équilibre thermodynamique complet.
Signification pratique et explication idéalisée :
Modèle idéal : à proprement parler, l'équilibre thermique nécessite que le système soit complètement isolé (pas d'échange de matière ou d'énergie), ce qui est difficile à réaliser dans la réalité, mais peut être approché lorsque le processus est lent (par exemple, changement d'état du gaz dans un cylindre).
Applications étendues : De la conception de thermomètres à l'analyse de l'efficacité des moteurs thermiques en passant par la recherche sur les changements de phase en science des matériaux, le concept d'équilibre thermique est omniprésent.
Comparaison d'états de non--état d'équilibre : si le système a un apport d'énergie continu (comme des organismes vivants ou la circulation atmosphérique), il peut maintenir un « état stable de non -équilibre » (structure dissipative), mais cela n'entre pas dans la catégorie de l'équilibre thermique classique.
