Qu’est-ce qu’un système fermé en thermodynamique ?

En thermodynamique, un système fermé est un système qui n’échange pas de matière avec son environnement, mais qui peut échanger de l’énergie de différentes manières. En d’autres termes, c’est un système dont les frontières ne permettent pas aux atomes ou aux molécules d’entrer ou de sortir, mais à travers lequel l’énergie peut passer, que ce soit sous forme de lumière, de chaleur, de travail, etc.

Les systèmes thermodynamiques en général sont des modèles conceptuels qui sont principalement utilisés pour simplifier la description mathématique des systèmes réels. En ce sens, les systèmes parfaitement fermés n’existent pas vraiment, car ils devraient être totalement hermétiques et il est presque impossible d’empêcher ne serait-ce qu’une poignée d’atomes de franchir la barrière qui sépare le système de l’environnement.

Cependant, de nombreux systèmes sont suffisamment hermétiques pour être considérés comme fermés, et analyser et comprendre correctement ces systèmes permet de comprendre bon nombre des concepts les plus fondamentaux de la thermodynamique. Ce dernier est dû au fait que les systèmes fermés nous permettent « d’observer » l’effet que le flux d’énergie depuis et vers le système a sur un système, sans ajouter la complication d’autres interactions provenant de l’échange de matière.

Caractéristiques des systèmes fermés

Les systèmes fermés présentent certaines caractéristiques qui les distinguent des deux autres types de systèmes considérés en thermodynamique :

• Ils n’échangent pas de matière avec l’environnement.
• Ce sont des systèmes dans lesquels la matière est conservée.
• Ils sont entourés de parois ou de parois diathermiques.
• Ils échangent de l’énergie avec l’environnement.
• Ils peuvent avoir à la fois des parois rigides et flexibles, tant que le flux de matière d’un côté à l’autre n’est en aucun cas autorisé.
• Ils interagissent avec l’environnement par l’échange d’énergie.
• Ce sont des systèmes qui peuvent faire du travail à l’environnement ou recevoir du travail de l’environnement.

Exemples de systèmes fermés

Bien que, comme mentionné ci-dessus, les systèmes parfaitement fermés n’existent pas, il existe de nombreux exemples de systèmes réels qui, à des fins pratiques, sont considérés comme fermés.

Exemple 1 : Un soda fermé.

Une bouteille de boisson gazeuse est suffisamment scellée pour empêcher le dioxyde de carbone de s’échapper, même sous pression. Cependant, il est clair que les parois de la canette ou de la bouteille permettent à la chaleur de circuler lorsque les boissons gazeuses refroidissent dans le réfrigérateur et se réchauffent si elles sont laissées à l’extérieur.

Exemple 2 : Une cocotte-minute, avant de siffler.

Les autocuiseurs sont souvent cités comme exemples de systèmes fermés, et ils le sont vraiment. Pendant le chauffage initial, le pot est hermétiquement fermé et ne permet pas à l’air ou à la vapeur d’entrer ou de sortir. D’autre part, il est évident que l’énergie entre sous forme de chaleur, puisque la casserole et son contenu chauffent lentement.

Il est important de noter, cependant, que cela n’est vrai que tant que la vanne est fermée (c’est-à-dire tant que le pot n’émet pas de bip). Lorsque la pression interne de l’autocuiseur dépasse la pression exercée par la soupape et que la soupape s’ouvre, la vapeur et les autres gaz qui sont sous haute pression à l’intérieur de l’autocuiseur s’échappent à grande vitesse. Cela représente un échange de matière avec l’environnement.

Exemple 3 : Sac à collation non ouvert.

Les sacs de croustilles et de collations sont également un bon exemple de système fermé. En plus de ne pas permettre l’entrée ou la sortie d’air ou d’autres substances, et en plus de permettre le passage d’énergie sous forme de chaleur, ils permettent également le flux d’énergie sous forme de travail à travers le sac. La preuve en est que nous pouvons diviser les aliments frits avec nos mains à travers le sac, sans avoir à l’ouvrir. Pour casser ou déformer un matériau (comme une chips, par exemple) il faut faire un travail, donc nous (agissant en tant qu’entourage) faisons effectivement un travail sur l’intérieur du système (constitué des chips à l’intérieur du sac) .

Exemple 4 : Aliments en conserve.

Les aliments en conserve sont tous des exemples de systèmes fermés. Il est évident que le contenu des bidons n’échange pratiquement aucune substance avec l’environnement.

À l’intérieur des boîtes, des réactions chimiques ou différents types de processus biologiques peuvent se produire et transformer la matière dans les boîtes, mais peu importe ce qui se passe à l’intérieur, la masse à l’intérieur reste constante.

Exemple 5 : Viandes scellées sous vide.

Les viandes et autres protéines sont souvent conservées en les emballant sous vide dans de lourds sacs en plastique hermétiquement scellés. C’est aussi un exemple de système fermé. En fait, dans certains cas, les viandes sont marinées avant d’être scellées et peuvent même être cuites à l’intérieur des emballages eux-mêmes, permettant le flux de chaleur qui cuit la viande, mais évitant la perte des jus qui lui donnent sa saveur exquise.

Les références

Atkins, P., d’après Paula J. (2014). Chimie physique d’Atkins. (Éd. Rev.). Oxford, Royaume-Uni : Oxford University Press.

Brown, T. (2021). Chimie : la science centrale. (11e éd.). Londres, Angleterre : Pearson Education.

En ligneChang, R. (2008). Chimie physique (1ère ^éd .). New York, New York : McGraw Hill.

Lois de la thermodynamique (nd). Extrait de https://www.khanacademy.org/

Définitions de base – Système et environnement. (2020, 13 août). Extrait de https://chem.libretexts.org/@go/page/53093