Équilibre dynamique et statique

ÉQUILIBRE, physique

État d'un système qui correspond à un minimum de la fonction d'énergie pour le paramètre considéré. On distingue deux sortes d'équilibre : l' équilibre statique , où le système et le milieu n'échangent pas d'énergie, et l' équilibre dynamique , où la quantité d'énergie cédée par le système au milieu ambiant est égale à la quantité d'énergie cédée par le milieu au système. […] […] Lire la suite

SÉISMES ET SISMOLOGIE Le génie parasismique

• Écrit par 
• Philippe GUÉGUEN
•  • 8 752 mots

Dans le chapitre «  Comportement sismique d'une structure »  : […] L'objectif principal d'une étude de dynamique des structures est la détermination de l'histoire dans le temps de ses déplacements lorsqu'elle subit un chargement donné et variable dans le temps. Les déplacements d'un corps solide soumis à un chargement dynamique sont obtenus au moyen d'expressions mathématiques, appelées équations dynamiques du mouvement. Elles doivent tenir compte des lois de co […] […] Lire la suite

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre ce qu’est un équilibre dynamique et étudier comment il est établi. Alors, qu’est-ce qu’un équilibre dynamique? Lorsqu’une réaction se produit, elle peut aller dans un sens uniquement pour produire des produits, par exemple, A réagissant pour former B. Ce sont des réactions irréversibles. Ou, une réaction peut se déplacer dans deux sens, à la fois dans le sens direct et dans le sens inverse. C’est ce qu’on appelle des réactions réversibles. Toutes les réactions n’ont pas la capacité d’être réversibles.

Dans une réaction réversible, les réactifs forment des produits et, en même temps, les produits forment des réactifs. A et B seront présents ensemble dans le même récipient. Et nous disons qu’ils sont en équilibre l’un avec l’autre. Les réactions réversibles peuvent être décrites comme étant soit en équilibre statique, soit en équilibre dynamique.

Dans un équilibre statique, il n’y a pas de mouvement ni d’échange entre les réactifs et les produits. En d’autres termes, les vitesses de la réaction directe et de la réaction inverse sont toutes deux nulles, alors que dans un équilibre dynamique, les vitesses de la réaction directe et de la réaction inverse sont égales et constantes. En d’autres termes, les réactifs sont transformés en produits et les produits sont transformés en réactifs à la même vitesse. Et la vitesse ne change pas.

Cependant, il est très important de noter que les concentrations des réactifs et des produits peuvent être égales ou non. Ce qui est le plus important à retenir, c’est que les vitesses des réactions directe et inverse sont égales. Et cela n’a rien à voir avec la concentration des réactifs et des produits. Les concentrations des réactifs et des produits et la vitesse des réactions directe et inverse peuvent être modifiées si les conditions dans lesquelles la réaction se produit sont modifiées.

Nous discuterons un peu plus tard des conditions modifiables. Pour l’instant, nous devons considérer qu’un équilibre dynamique se produit dans des conditions constantes. Examinons dans quel type de système un équilibre dynamique se produit.

L’équilibre dynamique peut être atteint dans un système fermé et non dans un système ouvert. Quelle est la différence? Les processus, ou les réactions, qui se produisent dans un système ouvert ont lieu dans un récipient ouvert, et ceux dans un système fermé à l’intérieur d’un récipient scellé ou fermé. Dans un système ouvert, l’énergie et la matière peuvent toutes les deux entrer ou sortir du système. Dans un système fermé, l’énergie peut entrer ou sortir, mais pas la matière. Une réaction qui se produit dans un tube à essai, qui libère des gaz dans l’atmosphère, est un exemple de système ouvert. Un autre exemple de système ouvert est l’eau qui bout dans une casserole sur la cuisinière sans le couvercle. Des exemples correspondants de systèmes fermés seraient la même réaction se produisant dans un tube à essai mais avec un bouchon, ou une casserole d’eau bouillante avec le couvercle dessus.

Maintenant, dans un système ouvert, des changements visibles peuvent être évidents pour un observateur. Par exemple, dans une casserole ouverte, l’eau est libre de quitter la casserole pour ses environs. Et avec le temps, le niveau d’eau semblera diminuer. Cependant, dans un système fermé, il peut sembler que rien ne se passe, même si les processus direct et inverse se produisent en même temps. Un véritable équilibre peut être établi dans un système fermé car la matière ne peut pas sortir. Et s’il y a, pour le processus ou la réaction, un mouvement constant dans les sens direct et inverse, nous disons que cet équilibre est dynamique.

Maintenant que nous savons ce qu’est un équilibre dynamique et qu’il se produit dans un système fermé, regardons de plus près une réaction qui atteint l’équilibre dynamique. Passons en revue ce qui se passe quand une réaction dans un système fermé commence, jusqu’au moment où elle atteint l’équilibre dynamique. Nous allons utiliser l’exemple de l’azote gazeux réagissant avec l’hydrogène gazeux pour former de l’ammoniac. L’équation est N2 gaz plus trois H2 gaz réagissant de manière réversible pour donner deux NH3 gaz. Dans l’industrie, la synthèse de l’ammoniac gazeux suivant cette réaction s’appelle le procédé de Haber.

Nous allons utiliser le schéma d’un graphe pour comprendre la formation de cet équilibre dynamique. Nous allons tracer la vitesse de la réaction en fonction du temps. Parce que nous allons juste utiliser des schémas de graphes, nous n’allons pas utiliser de valeurs réelles ni d’unités. Mais nous allons juste expliquer la forme des courbes.

Maintenant, imaginez que de l’azote gazeux et de l’hydrogène gazeux soient placés ensemble dans un système fermé, en d’autres termes, dans un récipient scellé. À l’instant temps égal à zéro, il n’y a pas de produit car la réaction n’a pas encore commencé. Dans les bonnes conditions, la réaction commence, avec la réaction directe produisant de l’ammoniac très rapidement. En d’autres termes, la réaction directe commence très vite ou avec une vitesse élevée. Parce qu’il n’y a pas d’ammoniac au départ, la vitesse de la réaction inverse est nulle. Dès que l’ammoniac se forme, une partie se décompose pour reformer des réactifs. En d’autres termes, une réaction réversible se produit.

Bien que la réaction directe se produise encore assez rapidement, la vitesse de la réaction directe diminue lentement au fil du temps, à mesure que de plus en plus de produit se forme. Inversement, la vitesse de la réaction contraire ou inverse est initialement très lente. Mais au fil du temps, cette réaction se produit plus rapidement car il y a plus d’ammoniac qui se décompose en réactifs. Après un certain temps, appelons-le l’instant temps égal à 𝑥, les vitesses des réactions directe et inverse sont les mêmes. Appelons cette vitesse 𝑝.

Après l’instant 𝑥, les réactions directe et inverse sont en équilibre. Nous savons maintenant que lors d’un équilibre dynamique, les réactions directe et inverse se produisent toutes les deux, et elles se produisent à la même vitesse. Et nous savons que la concentration des réactifs et celle des produits ne sont pas forcément les mêmes. Maintenant, examinons ce qui arrive aux concentrations en réactifs et en produit au fil du temps, en dessinant un autre schéma de graphe.

Si nous traçons la concentration en fonction du temps, à l’instant temps égal à zéro, il y a une forte concentration des réactifs d’azote et d’hydrogène dans le récipient. Et aucun produit ne s’est encore formé. En d’autres termes, la concentration du produit ammoniac est nulle. Lorsque la réaction directe commence à générer du produit, la concentration des réactifs diminue et la concentration du produit ammoniac augmente. Après un certain temps, appelons-le l’instant temps égal à 𝑥, les concentrations des réactifs et du produit restent constantes. C’est parce que la réaction est à l’équilibre dynamique.

Notez, cependant, que la concentration des réactifs à l’équilibre, la concentration 𝑄, et la concentration du produit ammoniac à l’équilibre, la concentration 𝑆, n’ont pas nécessairement de la même valeur. Dans cet exemple, la concentration des réactifs à l’équilibre est supérieure à celle du produit. Et cela est dû à l’ensemble particulier des conditions dans lesquelles cette réaction s’est produite. Les conditions spécifiques de pression, de température, ou de concentration, affecteront directement la concentration des réactifs et du produit à l’équilibre.

Libérons de l’espace pour approfondir ce point. Le premier de ces trois graphes que nous avons vu il y a quelques instants, où la concentration des réactifs à l’équilibre dynamique était supérieure à celle du produit l’ammoniac. Mais il existe deux autres scénarios possibles ou soit les réactifs et le produit ont la même concentration à l’équilibre dynamique, soit le produit l’ammoniac a une concentration plus élevée que celle des réactifs (l’azote et l’hydrogène).

Si nous prenions les valeurs de la concentration des réactifs et du produit dans chaque cas, et que nous les disposions suivant le rapport de la concentration en produit divisé par la concentration en réactifs, nous obtiendrions les trois résultats suivants, où le rapport est inférieur à un, égal à un ou supérieur à un. Ces rapports nous donnent une indication sur l’état d’équilibre. L’état d’équilibre peut être décrit comme le rapport entre la concentration en produit et celle en réactifs. Lorsque le rapport donne une valeur inférieure à un, nous savons que la courbe ressemble à ceci. Lorsque l’état d’équilibre donne une valeur de un, nous savons que les concentrations des réactifs et du produit sont égales, à l’équilibre dynamique. Et une valeur supérieure à un indique que la concentration en produit à l’équilibre dynamique est supérieure à celle des réactifs.

Que nous obtenions un graphe comme le premier, le deuxième ou le troisième dépend de l’état d’équilibre, qui lui-même dépend des conditions dans lesquelles la réaction se produit. En d’autres termes, la pression, la température et la concentration affectent directement la concentration des réactifs et des produits à l’équilibre. Ces conditions peuvent entraîner un déplacement de l’équilibre vers la gauche, le côté de l’équation des réactifs, ou vers la droite, le côté de l’équation des produits. Si l’une de ces conditions est modifiée, l’état d’équilibre sera également modifié. Et les concentrations des réactifs et du produit changeront. Les détails concernant la manière dont ces trois conditions influent l’état d’équilibre sont traités dans une autre vidéo.

D’autres conditions de réaction, telles que la présence d’un catalyseur, n’ont pas d’effet sur l’état d’équilibre. En d’autres termes, elles n’influent pas la concentration en réactifs et en produit à l’équilibre. Cependant, un catalyseur affecte la vitesse à laquelle l’équilibre est atteint. La présence d’un catalyseur fera que l’équilibre sera atteint plus rapidement.

Maintenant, il est temps de s’exercer avec un problème sur l’équilibre.

S’il est permis à une réaction réversible d’atteindre l’équilibre dans un système fermé, laquelle des affirmations suivantes sera vraie? (A) La concentration des produits augmentera progressivement. (B) L’augmentation de la pression à l’intérieur du système fermé n’affectera pas l’équilibre. (C) L’augmentation de la température n’affectera pas l’équilibre. (D) La concentration des réactifs et des produits sera la même. Ou (E) la vitesse de la réaction directe sera la même que la vitesse de la réaction inverse.

Une réaction réversible est une réaction dans laquelle des réactifs forment des produits et, en même temps, des produits forment des réactifs. Lorsque cela se produit dans un système fermé, dans lequel l’énergie peut entrer ou sortir mais pas la matière, nous disons qu’un équilibre est atteint. Nous pouvons tracer la progression de la réaction en termes de vitesse de réaction en fonction du temps à partir de l’instant temps égal à zéro. À l’instant temps égal à zéro, les réactifs forment des produits très rapidement. Et à l’instant temps égal à zéro, avant que des produits ne soient formés, la réaction inverse n’a pas encore commencé.

Lorsque quelques produits sont formés, certains d’entre eux réagissent pour reformer des réactifs. Et la vitesse de la réaction directe commence à diminuer. À mesure que plus de produits se forment, la vitesse de la réaction inverse augmente. À partir d’un certain point dans la réaction réversible, appelons-le l’instant temps égal à 𝑥, un équilibre se produira. Et les vitesses des réactions directe et inverse seront les mêmes. Nous pouvons voir que, à partir de l’instant temps égal à 𝑥, les courbes noire et verte ont la même valeur 𝑦, en d’autres termes, la même vitesse de réaction. L’option (E) est correcte. La vitesse de la réaction directe sera la même que la vitesse de la réaction inverse.

Confirmons cela en examinant les autres choix de réponse. Nous pouvons le faire en faisant un autre schéma de graphe, cette fois de la concentration en fonction du temps. À l’instant temps égal à zéro, avant que la réaction ne commence, quand il n’y a qu’un réactif dans le récipient, la concentration des réactifs est très élevée et la concentration des produits est nulle. Lorsque la réaction commence, la concentration des réactifs diminue à mesure qu’ils sont transformés en produits. Plus des réactifs sont transformés en produits, plus la concentration des produits augmente.

Cependant, à partir de l’instant temps égal à 𝑥, la concentration des réactifs reste constante et la concentration des produits reste constante. Un équilibre est formé lorsque la vitesse de transformation des réactifs en produits est le même que la vitesse de transformation des produits en réactifs. Cependant, si nous regardons attentivement, nous voyons que les concentrations en réactifs et en produits ne sont pas nécessairement les mêmes à l’équilibre. Nous pouvons donc exclure l’option (D).

Nous pouvons également exclure l’option (A) car la question porte sur l’équilibre. Et à l’équilibre, la concentration des produits n’augmentera pas mais restera constante. Maintenant, les graphes concentration-temps peuvent sembler différents de celui dessiné ici. La concentration en réactifs peut être supérieure à celle des produits à l’équilibre, comme le montre ce graphe. Ou, les réactifs et les produits peuvent avoir la même concentration à l’équilibre. Ou bien, les produits peuvent avoir une concentration plus élevée que les réactifs.

Le rapport de la concentration des produits sur les réactifs nous donnera une valeur soit inférieure à un, soit égale à un, soit supérieure à un, selon le graphique. Ces valeurs, qui représentent l’état d’équilibre, dépendent des conditions de température, de pression ou de concentration dans lesquelles la réaction se produit. En d’autres termes, la température, la pression et la concentration influent l’équilibre. Nous pouvons donc exclure les deux autres choix de réponse, car elles sont incorrectes.

Enfin, s’il est permis à une réaction réversible d’atteindre l’équilibre dans un système fermé, la vitesse de la réaction directe sera la même que la vitesse de la réaction inverse. Et nous appelons cela l’équilibre dynamique.

Maintenant, résumons tout ce que nous avons appris. Nous avons appris qu’un équilibre dynamique est un équilibre dans lequel les vitesses des réactions directe et inverse sont égales. Nous avons appris que les concentrations des réactifs et des produits à l’équilibre dynamique ne sont pas nécessairement égales. Et nous avons appris qu’un équilibre dynamique se produit dans un système fermé. Nous avons défini un système fermé comme étant un système à partir duquel l’énergie peut entrer ou sortir mais pas la matière.

Nous avons également vu comment un équilibre dynamique se produit depuis le début d’une réaction, et nous l’avons visualisé en utilisant un graphique de la vitesse en fonction du temps. Et enfin, nous avons examiné trois différents graphes concentration-temps montrant trois états d’équilibre différents. Et nous avons appris que l’état d’équilibre est influencé par la concentration, la pression et la température.

C'est quoi l'état d'équilibre dynamique ?

Pourquoi l'équilibre est dynamique ?

Quels sont les types d'équilibre ?

Quel sont les condition d'équilibre ?