Irréversibilité, étude qualitative Complément 2 Page 1 sur 2
Thermodynamique, T09.C2 © Isa 2019
Diffusion et irre versibilite
Nous allons d’abord rappeler la diffusion du lait dans le thé, évoquée en introduction du chapitre T09 Irréversibilité, étude qualitative. Puis nous introduirons les membranes hémiperméables qui permettent de concevoir théoriquement une diffusion réversible.
I. S’approcher de la réversibilité ?
La diffusion de lait froid dans une tasse de thé froid est irréversible, le test1 du film est sans appel. Même si l’ajout de lait dans le thé est conduit goutte à goutte, l’évolution ne s’approche pas de la réversibilité car pour chaque goutte la différence de densité particulaire du lait dans le lait pur (100 %) et dans le thé au lait (au goût de chacun) est notable.
La différence de densité particulaire étant la cause de la transformation puisqu’elle déclenche la diffusion du lait dans le thé, l’annuler ne conduit pas à s’approcher de la réversibilité, mais supprime la transformation. La fractionner est impossible.
T09.C2 Figure 1 : Diffusion d’une goutte de lait dans une tasse de thé.
II. Les membranes hémiperméables
Les membranes hémiperméables permettent de concevoir théoriquement une diffusion réversible. Une membrane hémiperméable est une membrane dont la perméabilité est sélective2. Elle laisse passer une espèce chimique mais pas les autres.
T09.C2 Figure 2 : Schéma du dispositif pour s’approcher d’une diffusion réversible.
Considérons le dispositif de la figure 2 ci-dessus. Un cylindre est muni de deux membranes hémiperméables et fermé par un piston. Les membranes initialement accolées délimitent dans le cylindre deux volumes égaux contenant l’un le gaz G1, l’autre le gaz G2. Les deux gaz sont de natures différentes, par exemple dioxygène et diazote, mais leurs états sont identiques : ils sont décrits par les mêmes valeurs de leurs variables d’état, quantité de matière, pression, température et volume. Par exemple, 0,1 mol de gaz sous une pression de 105 Pa, à la température de 20 °C, occupe un volume d’environ 2 L. De cette manière aucun autre phénomène ne vient perturber l’observation de la diffusion3.
La première membrane hémiperméable, en jaune sur le schéma, laisse passer le gaz G1 uniquement, indifféremment de la gauche vers la droite ou de la droite vers la gauche ; La seconde, en rose, agit de même sur le gaz G2. La première membrane est solidaire du piston, la seconde est fixe.
1 Ce test est défini dans l’introduction du chapitre T09 et repris au long des différents paragraphes.
2 Cette propriété peut paraître irréelle, incroyable. Cependant elle existe dans la nature. Par exemple, les parois de certaines cellules de l’intestin laissent passer le glucose mais pas d’autres espèces chimiques.
3 De plus, aucune réaction chimique n’a lieu.
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Lorsqu’un opérateur pousse lentement sur le piston, des molécules du gaz G1 traverse la membrane Mh1 de la gauche vers la droite pour occuper le volume apparu entre les deux membranes. Simultanément des molécules du gaz G2 traverse la membrane Mh2 de la droite vers la gauche. Entre les deux membranes le mélange des deux gaz se forme progressivement. Lorsque le piston atteint la membrane Mh2, les deux gaz sont totalement mélangés.
T09.C2 Figure 3 : Vers une diffusion proche de la réversibilité.
L’opérateur peut alors tirer lentement sur le piston et la séparation des deux gaz se fait progressivement, jusqu’au retour à l’état initial du système.
Cependant aucune membrane hémiperméable n’est parfaite, donc la réversibilité a été approchée mais pas atteinte.
Nous venons de rencontrer un dispositif conçu pour permettre d’approcher la réversibilité dans le cas de la diffusion.
Dans le complément T09.C1 Circuits électriques et irréversibilité, nous avons introduit un dispositif4 conçu pour permettre d’approcher la réversibilité dans un circuit d’électrolyse ou de pile : Une pile Daniell où les réactions chimiques sont isolées dans deux demi-piles. Dans les deux cas la recherche est couronnée de succès car on s’approche de la réversibilité même si on ne l’atteint pas.
4 Voir évidemment T09.C1 pour une description plus détaillée.
