Fiche de révision : Thermodynamique biochimique

📋 Plan du Cours

1. Objet et approches de la thermodynamique
2. Matière et énergie interne
3. Systèmes et transformations
4. Variables et états thermodynamiques
5. Chaleur et température
6. Travail et conventions de signe
7. Premier principe et fonctions d’état
8. Êtres vivants et métabolisme
9. Enthalpie et réactions chimiques
10. Loi de Hess et énergies de liaison

📖 1. Objet et approches de la thermodynamique

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermodynamique : Science qui étudie les échanges d’énergie entre les systèmes matériels.

📝 Points essentiels

📌 La thermodynamique classique décrit l’état macroscopique d’un système à partir d’un petit nombre de grandeurs mesurables, tandis que la thermodynamique statistique étudie les constituants microscopiques et leurs interactions.

📌 La thermodynamique détermine l’état initial et l’état final ainsi que le sens d’évolution d’un système à partir de grandeurs fondamentales comme l’énergie et l’entropie, mais elle ne décrit ni les mécanismes de transformation ni sa durée.

💡 Astuce mémo

Thermodynamique classique = état macroscopique ; thermodynamique statistique = constituants microscopiques

📖 2. Matière et énergie interne

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie interne : Énergie associée aux mouvements et aux agitations des particules constituant la matière.

★ À maîtriser

• Les cellules et les organismes vivants sont des machines chimiques qui transforment et utilisent l’énergie, synthétisent des biomolécules par biogenèse et dégradent des biomolécules par catabolisme.

📌 Une cellule vivante ne crée pas d’énergie, mais elle peut l’extraire, la transformer, l’utiliser et l’échanger.

Compléments

• La pression d’un gaz résulte des collisions de ses molécules avec les parois, tandis que la température est liée à l’énergie cinétique des molécules.

💡 Astuce mémo

Agitation thermique des particules → énergie interne de la matière

📖 3. Systèmes et transformations

🔑 Notions clés & Définitions

• Système : Partie de l’univers qui fait l’objet de l’étude thermodynamique.

★ À maîtriser

📌 Un système isolé n’échange ni matière ni énergie, un système fermé n’échange pas de matière mais peut échanger de l’énergie, et un système ouvert échange à la fois matière et énergie avec l’environnement.

• Une transformation fait passer un système d’un état initial à un état final, directement ou par une succession d’états intermédiaires.

Compléments

• La photosynthèse illustre un échange de matière selon la réaction 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2.

💡 Astuce mémo

État initial → évolution → état final

📖 4. Variables et états thermodynamiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Variables d’état : Les variables d’état sont la pression P, le volume V, la température T et le nombre de moles n, qui décrivent l’état d’un système sans dépendre du chemin emprunté.

★ À maîtriser

📌 Les variables extensives dépendent de la quantité de matière, comme la masse, le volume et le nombre de moles, tandis que les variables intensives en sont indépendantes, comme la pression et la température.

Compléments

• La température absolue se mesure en kelvins et se convertit selon T(K) = T(°C) + 273,15.

• La constante des gaz parfaits vaut R = 8,3145 J.K−1.mol−1, soit environ 1,9872 cal.K−1.mol−1.

💡 Astuce mémo

Variables extensives : quantité de matière ; variables intensives : indépendantes de la quantité

📖 5. Chaleur et température

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaleur : Forme d’énergie échangée qui est reliée à la température.
• Chaleur spécifique : Quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un degré la température d’une unité de masse d’une substance.

★ À maîtriser

📐 Formule — La chaleur échangée est proportionnelle à la masse, à la chaleur spécifique et à la variation de température : $Q = mC\Delta T$.

📌 La chaleur reçue par le système est comptée positivement, tandis que la chaleur perdue par le système est comptée négativement.

Compléments

• La chaleur spécifique de l’eau liquide vaut 1 cal.g−1.K−1 et une calorie vaut 4,18 J.

💡 Astuce mémo

Chauffage → augmentation de l’agitation moléculaire → élévation de température ou dilatation

📖 6. Travail et conventions de signe

🔑 Notions clés & Définitions

• Travail : Forme d’énergie mécanique qui, en thermodynamique, fait intervenir la pression et le volume.

★ À maîtriser

📌 Lors d’une détente, le système fournit un travail compté négativement, tandis que lors d’une compression, il reçoit un travail compté positivement.

📌 Le travail W n’est pas une fonction d’état, car sa valeur dépend du chemin emprunté entre l’état initial et l’état final.

Compléments

• Dans une cellule isolée, la pression est pratiquement constante et le volume varie très peu, de sorte que le travail de pression est considéré comme nul.

💡 Astuce mémo

Détente : le système fournit un travail négatif ; compression : il reçoit un travail positif

📖 7. Premier principe et fonctions d’état

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’état : Grandeur dont la variation entre deux états est indépendante du chemin suivi.

★ À maîtriser

📌 Le premier principe de la thermodynamique exprime la conservation de l’énergie dans un système en reliant la variation d’énergie interne aux échanges de chaleur et de travail.

📌 L’énergie interne U est une fonction d’état, tandis que la chaleur Q et le travail W ne sont pas des fonctions d’état.

Compléments

• L’énergie interne U est une grandeur extensive, tandis que la température T est une grandeur intensive.

💡 Astuce mémo

U dépend des états initial et final ; Q et W dépendent du chemin

📖 8. Êtres vivants et métabolisme

🔑 Notions clés & Définitions

• Être vivant : Système ouvert qui a besoin d’apports extérieurs d’énergie et de matière ordonnée pour se maintenir.

★ À maîtriser

• Le métabolisme transforme l’énergie de la nourriture et s’accompagne d’une perte d’énergie pour l’organisme, principalement sous forme de chaleur.

Compléments

• Le bilan mesuré comprend: énergie de combustion de la nourriture absorbée : −2602 kcal, énergie de combustion des excréments : −245 kcal, chaleur dépensée par l’organisme : −2397 kcal

💡 Astuce mémo

Apports alimentaires → métabolisme → chaleur dépensée

📖 9. Enthalpie et réactions chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Enthalpie : Fonction thermodynamique définie par l’expression U + PV et dont la variation correspond à la chaleur échangée à pression constante.
• Enthalpie standard : L’enthalpie standard correspond à la chaleur dégagée ou absorbée sous une pression d’une atmosphère et à une température de 298 K, soit 25 °C.

★ À maîtriser

📌 À pression constante, la chaleur échangée par une réaction est égale à la variation d’enthalpie du système et ne dépend donc pas du chemin suivi.

📌 Une réaction est endothermique si ΔH > 0, exothermique si ΔH < 0 et athermique si ΔH = 0.

Compléments

📌 Dans les conditions standard, l’enthalpie de formation des éléments ou corps simples comme O2, H2, C et N2 est conventionnellement nulle.

• La formation du glucose est endothermique avec ΔHglucose = +2816 kJ.mol−1, tandis que la formation de l’eau est exothermique avec ΔHH2O = −242 kJ.mol−1.

💡 Astuce mémo

ΔH positif : endothermique ; ΔH négatif : exothermique ; ΔH nul : athermique

📖 10. Loi de Hess et énergies de liaison

★ À maîtriser

📌 La loi de Hess affirme que la variation d’enthalpie d’une réaction est la même que la réaction soit réalisée directement ou par un chemin comportant des réactions intermédiaires.

📌 Dans les bilans thermochimiques, une énergie dégagée, émise ou fournie est comptée négativement, tandis qu’une énergie reçue est comptée positivement.

Compléments

📌 La variation d’enthalpie d’un processus cyclique est nulle, car l’état initial et l’état final sont identiques.

• L’énergie d’une liaison peut être déterminée en construisant un cycle de transformations dont la somme des variations d’enthalpie donne l’énergie recherchée.

💡 Astuce mémo

Réaction directe ou chemin intermédiaire → même variation d’enthalpie

📊 Tableaux de synthèse

Types de systèmes thermodynamiques

Fonctions thermodynamiques