7/23/2019 Definition de Equilibre Physique

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Article publi par Encyclopaedia Universalis

QUILIBRE, physiqueQUILIBRE, physique

La notion d'quilibre recouvre en physique et en chimie diverses situations

dans lesquelles des tendances contradictoires ont pour rsultat le

caractre constant des qualits mesurables d'un systme. Nous

distinguerons l'quilibre mcanique, l'quilibre chimique et l'quilibre

thermodynamique. Les conditions d'quilibre et les processus d'approche

de l'quilibre de systmes peu loigns de ces conditions sont

gnralement bien compris. Il n'en est pas de mme des systmes

violemment hors d'quilibre, qui sont le sujet d'intenses mais difficiles

recherches.

quilibre mcaniquequilibre mcanique

On dit qu'un ensemble matriel est en quilibre lorsque tous les

paramtres reprant sa position restent constants au cours du temps.

Cette dfinition serait proche de celle de l'immobilisme si l'on omettait la

ncessit de prciser par rapport quel repre on effectue la mesure de

ces paramtres. En physique classique, il est important que le repre soit

galilen, et c'est effectivement l'existence d'un tel repre qui est affirme

dans le principe d'inertie de Galile, selon lequel un corps qui n'est soumis

aucune action ni influence de la part d'autres corps est anim d'unmouvement rectiligne uniforme ou reste au repos. Les conditions

d'quilibre pour un solide sont alors la nullit d'une part de la rsultante

vectorielle de toutes les forces qui agissent sur lui et d'autre part de la

somme des moments de ces forces par rapport n'importe quel axe. La

premire condition implique l'absence de toute mouvement de translation

acclr, la seconde de tout mouvement de rotation. Les conditions

d'quilibre d'un systme mcanique ont t axiomatises par Joseph Louis

Lagrange dans la premire partie de son trait La Mcanique analytique,

paru en 1788. Il y nonce le principe dit des travaux virtuels selon lequel

la loi gnrale de l'quilibre dans les machines est que les forces soient

entre elles rciproquement comme les vitesses des points o elles sont

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appliques . Cette formulation permet la rsolution analytique de

nombreux problmes pratiques dans le domaine de la statique.

quilibre chimiquequilibre chimique

La notion d'quilibre chimique est plus riche car elle ne sous-entend pas

une totale inactivit du systme. Si une raction chimique entre divers

corps est parfois complte, dans le sens qu'un des corps prsents

initialement est entirement consomm aprs un temps suffisant, ce n'est

pas toujours le cas. De faon trs courante, une raction chimique tend

vers un tat d'quilibre, o produits d'arrive et produits de dpart

coexistent, leurs proportions n'voluant plus au cours du temps. Ds 1803,

Claude Berthollet a considr qu'une quation chimique reprsente deux

ractions inverses qui sont limites l'une par l'autre, de sorte que le

systme de dpart volue vers un tat d'quilibre o tous les participants

sont prsents en quantits dtermines. Ainsi, la synthse du gaz

ammoniac partir d'azote et d'hydrogne est toujours accompagne de sa

dissociation, si bien que les trois corps coexistent. Cette notion s'est

affine aprs les travaux exprimentaux et thoriques des chimistes de la

seconde moiti du xix sicle.

L'tude thorique des conditions d'quilibre chimique entre dans le cadre

de la thermodynamique classique et utilise la fonction d'tat appele

enthalpie libre, grandeur drive de l'nergie et de l'entropie d'un systme,

qui permet de prdire et d'tudier l'volution de ce dernier. Une diminution

d'enthalpie libre, temprature et pression donnes, indique que les

composants du systme peuvent ragir entre eux. En revanche, si la

valeur de l'enthalpie libre ne varie pas (la variation d'enthalpie tend vers

zro), le systme n'volue plus, et il est donc en quilibre. On dmontre

de plus que l'quilibre entre deux (ou plusieurs) phases suppose que le

potentiel chimique, dfini partir de l'enthalpie libre, possde la mme

valeur pour chaque constituant dans les deux phases. Les proportions des

constituants d'un systme en quilibre chimique dpendent gnralement

de la temprature, de la pression et des proportions initiales. Si l'on

modifie l'un de ces facteurs, l'quilibre se dplace, selon la rgle tablie

par Henry Le Chatelier (1850-1936) : toute modification de l'un des

e

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facteurs de l'quilibre dplace cet quilibre dans un sens qui tend

s'opposer la variation du facteur considr. Par exemple, lorsqu'on

accrot le volume d'une solution, on diminue les concentrations des

espces et le systme ragit dans le sens de leur accroissement.

quilibre thermodynamiquequilibre thermodynamique

L'quilibre thermodynamique est l'tat dans lequel les grandeurs physiques

d'un systme ne varient pas au cours du temps, tant entendu que la

prcision moyenne des mthodes d'investigation oblige ignorer les

fluctuations de ces grandeurs. On constate que, pour un systme isol,

c'est l'tat vers lequel il tend spontanment. Une caractrisation plus

prcise de l'quilibre thermodynamique fait appel la notion de

probabilit : si les grandeurs macroscopiques peuvent prendre diffrentes

valeurs, leurs probabilits restent constantes au cours du temps. La

physique statistique dcrit un tel systme par une fonction de distribution

des probabilits de ses tats stationnaires (au sens quantique du terme).

Les caractristiques physiques de ces tats stationnaires doivent tre

compatibles avec des conditions imposes par leur isolement, fixant par

exemple une certaine valeur leur nergie totale. On tend cette notion

des systmes non isols en prcisant qu'ils sont en quilibre pourvu qu'ils

soient des sous-systmes d'un systme plus grand qui est lui-mme isol

et en quilibre. On dit aussi que les diffrents sous-systmes sont en

quilibre entre eux.

Il est souvent utile de dfinir des tats d'quilibre local, caractriss par la

possibilit de diviser le systme en de petites rgions telles que,

l'intrieur de chacune, le systme se comporte comme si l'quilibre yrgnait. Les rgimes stationnaires tudis en hydrodynamique par

exemple sont d'ordinaire des tats d'quilibre local. L'tat d'quilibre

contraint est un tat d'quilibre local pour un systme dans lequel on a

introduit certaines contraintes macroscopiques virtuelles de faon

bloquer son volution ultrieure. On peut, par exemple, imaginer un tat

d'quilibre contraint en sparant par une paroi rigide virtuelle deux rgions

d'un rcipient contenant un gaz, chaque rgion tant caractrise par des

densits diffrentes. Cet artifice permet de dfinir les fonctions

caractristiques pour des tats hors d'quilibre, et de caractriser le vrai

quilibre thermodynamique par une condition d'extremum. S'il existe

plusieurs extrema des fonctions caractristiques, l'extremum absolu

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correspond un tat d'quilibre stable tandis que les extrema relatifs

correspondent des tats d'quilibre mtastable.

Auteur: Bernard PIRE

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