Mélange de gaz parfaits

Un gaz pur est un gaz parfait si les particules de ce gaz sont ponctuelles (c'est-à-dire si la taille des molécules est négligeable par rapport à la distance moyenne entre molécules) et s'il n'y a pas d'interactions à distance entre les molécules du gaz (les seules interactions sont des chocs entre molécules).

Mélange de gaz parfaits | Jacques Schwartzentruber | Informations complémentaires...Informations
Mélange de gaz parfaitsInformations[2]

Considérons plusieurs gaz parfaits purs, séparés, et maintenus à la même température \[T\] et la même pression \[P\]. On mélange ces gaz en mettant en communication les récipients qui les contiennent. Le mélange sera lui-même un gaz parfait pour peu qu'il n'y ait pas d'interactions à distance entre deux molécules de nature différente dans le mélange.

On montre alors en thermodynamique statistique les résultats suivants :

  • si le mélange se fait à volume total constant et à température constante (imposée), la pression reste inchangée ;

  • l'énergie interne du mélange est la somme des énergies internes des corps purs séparés : le mélange se fait sans variation d'énergie interne, et comme il n'y a pas de force extérieure qui travaille, le mélange est une opération adiabatique ;

  • le mélange s'accompagne d'une variation d'entropie :

\[\Delta S={\Delta }_{i}S=-R\sum _{i=1}^{c}{N}_{i}\ln{y}_{i}\]

\[{y}_{1},\dots ,{y}_{c}\] sont les fractions molaires[3] dans le mélange.

On notera que les fractions molaires[3] étant inférieures à l'unité, leur logarithme est négatif, et la variation d'entropie est bien positive : mélanger des gaz parfaits est une opération irréversible.

L'enthalpie du mélange est conservée aussi (transformation isobare adiabatique), et :

\[{H}^{\left(\mathrm{gp}\right)}\left(T,P,\underline{N}\right)=\sum _{i=1}^{c}{N}_{i}{h}_{i}^{\left(\mathrm{gp},\mathrm{pur}\right)}\left(T,P\right)\]

\[{h}_{i}^{\left(\mathrm{gp},\mathrm{pur}\right)}\] est l'enthalpie molaire du gaz parfait \[i\] pur.

On en déduit l'enthalpie libre du mélange :

\[\begin{array}{ccc} {G}^{\left(\mathrm{gp}\right)}\left(T,P,\underline{N}\right)& =& {H}^{\left(\mathrm{gp}\right)}\left(T,P,\underline{N}\right)-T{S}^{\left(\mathrm{gp}\right)}\left(T,P,\underline{N}\right)\\ & =& \sum _{i=1}^{c}{N}_{i}\left({h}_{i}^{\left(\mathrm{gp},\mathrm{pur}\right)}-T{s}_{i}^{\left(\mathrm{gp},\mathrm{pur}\right)}\right)+RT\sum _{i=1}^{c}{N}_{i}\ln{y}_{i}\\ & =& \sum _{i=1}^{c}{N}_{i}\left({\mu }_{i}^{\left(\mathrm{gp},\mathrm{pur}\right)}\left(T,P\right)+RT\ln{y}_{i}\right)\\ & =& \sum _{i=1}^{c}{N}_{i}\left({\mu }_{i}^{\left(\mathrm{std}\right)}\left(T\right)+RT\ln\frac{{\mathrm{Py}}_{i}}{{P}^{\left(\mathrm{std}\right)}}\right) \end{array}\]

Dans cette expression, on passe de la troisième ligne à la quatrième en appliquant la définition de la fugacité[4] au potentiel chimique[5] du gaz parfait pur \[i\](nous prenons bien sûr comme état standard[6] le gaz parfait pur à la même température et à la pression \(P^{\left(\textrm{std}\right)}\)) :

\[{\mu }_{i}^{\left(\mathrm{gp},\mathrm{pur}\right)}\left(T,P\right)={\mu }_{i}^{\left(\mathrm{std}\right)}\left(T\right)+RT\ln\frac{P}{{P}^{\left(\mathrm{std}\right)}}\]

Connaissant l'expression de l'enthalpie libre du mélange, on en déduit le potentiel chimique[5] du constituant \[j\] du mélange par :

\[{\mu }_{j}^{\left(\mathrm{gp}\right)}={\left(\frac{{\partial G}^{\left(\mathrm{gp}\right)}}{{\partial N}_{j}}\right)}_{T,P,{N}_{k\ne j}}\]

Il faut faire attention, en dérivant l'expression de l'enthalpie libre, à ne pas confondre l'indice muet de sommation \[i\] avec l'indice "fixe" \[j\] qui correspond au constituant dont on calcule le potentiel chimique[5], et il faut aussi prendre en compte le fait que les fractions molaires[3] \[{y}_{i}\] dépendent du nombre de moles \[{N}_{j}\]. Le calcul, pour être un peu "piégé" (mais sans aucune difficulté mathématique), n'en conduit pas moins à un résultat étonnamment simple :

\[{\mu }_{j}^{\left(\mathrm{gp}\right)}\left(T,P,\underline{y}\right)={\mu }_{i}^{\left(\mathrm{std}\right)}\left(T\right)+RT\ln\frac{P{y}_{i}}{{P}^{\left(\mathrm{std}\right)}}\]

Définition

On appelle pression partielle[7] du constituant \[i\] d'un mélange le produit de la pression totale \[P\] par la fraction molaire[3] \[{y}_{i}\] de ce constituant :

\[{P}_{i}=P{y}_{i}\]

Remarque

Cette définition est valable même si le mélange considéré n'est pas un gaz parfait !

Dans le cas d'un gaz parfait, la pression partielle[7] d'un constituant est la pression qu'il aurait s'il occupait seul le volume du mélange.

Nous venons ainsi de montrer que, dans un mélange de gaz parfaits, la fugacité[4] de chaque constituant est égale à sa pression partielle[7] :

Fondamental

\[{f}_{i}^{\left(\mathit{gp}\right)}=P{y}_{i}={P}_{i}\]

On notera que le potentiel chimique[5] du constituant \[i\] peut s'exprimer de deux façons équivalentes :

\[\begin{array}{ccc}{\mu }_{i}^{\left(\mathrm{gp}\right)}\left(T,P,\underline{y}\right)& =& {\mu }_{i}^{\left(\mathrm{std}\right)}\left(T\right)+RT\ln\frac{Py_{i}}{{P}^{\left(\mathrm{std}\right)}}\\ & =& {\mu }_{i}^{\left(\mathrm{gp},\mathrm{pur}\right)}\left(T,P\right)+RT\ln{y}_{i} \end{array}\]