Premier principe de la thermodynamique
Premier principe de la thermodynamique
On utilise une version simplifiée du premier principe en terminale.
I. Premier principe complet
En thermodynamique, on définit tout d’abord un système. Le système est l’objet d’étude, celui qui va nous intéresser : on l’appelle $\sigma$.
Soit $E$ son énergie totale à un instant donné. L’énergie totale de ce système est décomposée en énergie macroscopique $E_{macro}$ et en énergie microscopique, appelée également énergie interne $U$. L’énergie macroscopique comprend l’énergie cinétique et l’énergie potentielle macroscopiques, l’énergie interne comprend l’énergie cinétique et l’énergie potentielle microscopiques.
Ainsi $E = Ec_{macro} + Ep_{macro} + Ec_{micro} + Ep_{micro}$
L’énergie cinétique macroscopique peut être vue comme l’énergie globale du système (vitesse de 130 km/h sur l’autoroute, la voiture est considérée comme le système étudié). L’énergie potentielle représente l’altitude du système (si la voiture monte en altitude, la valeur de l’énergie potentielle augmente).
L’énergie interne $U$ est liée aux particules composant la voiture, ce qui devient très complexe. L’énergie cinétique microscopique rend compte de la vitesse de chaque molécule et l’énergie potentielle microscopique illustre les interactions entre les particules.
Après une transformation, la variation de l’énergie totale peut s’écrire : $\Delta E = E_{finale} – E_{initiale}$.
On fait passer le système d’un état initial à un état final.
On a donc :
$\Delta E = \Delta E_{macro} + \Delta U$
Le premier principe stipule que la variation de l’énergie totale est égale à la chaleur reçue par le système additionnée au travail reçu par le système, soit :
$\Delta E = Q + W$
$E$, $Q$ et $W$ sont toutes trois des énergies en Joules (J).
La chaleur reçue peut être également appelée transfert thermique et le travail reçu est dit mécanique. En réalité, il faudrait faire apparaître d’autres travaux (transformation chimique, travail électrique) s’ils apportent une résistance chauffante dans le système ; on se limite au travail mécanique ici.
Remarque
$Q$ peut être positif ou négatif, de même que $W$.
Si $Q > 0$ : le système reçoit de la chaleur, on parle de transformation endothermique (captation vers l’intérieur du système)
Si $Q < 0$ : le système libère de la chaleur, on parle de transformation exothermique (libération vers l’extérieur du système)
Cela fonctionne de la même manière pour $W$ : le travail positif est un travail reçu par le système tandis que le travail libéré est négatif.
Le travail mécanique peut être perçu lors de la variation du volume du système ; si le volume du système varie, c’est qu’il subit du travail mécanique. Si le système est parfaitement rigide, il ne pourra pas y avoir de travail mécanique. Ce dernier est nul si les parois du système et donc son volume restent les mêmes lors de la transformation.
Très souvent, $W$ n’est pas à calculer si l’on se place dans la condition précédente. Si ce n’est pas le cas, une aide pour le calcul est apportée.
II. Premier principe allégé
Le premier principe allégé est lorsque l’énergie cinétique et l’énergie potentielle macroscopiques ne varient pas pendant la transformation.
Le système est posé sur une table. De nombreuses transformations en chimie dans un bécher, sur une plaque chauffante, peuvent correspondre à ce cas de figure. On peut alors écrire :
$\Delta E = \Delta U = Q + W$
Exemple
On a une frite dans un bain d’huile. On commence toujours par définir le système en thermodynamique. Le système ici est la frite.
On a donc $\Delta U = Q + W$
Or, $W = 0$ ici car on considère que les parois de la frite ne subissent pas de transformation : son volume ne varie pas. On la considère quasiment comme un solide, c’est-à-dire qu’elle est incompressible.
Ainsi $\Delta U = Q$ ce qui signifie que le transfert thermique qui vient du bain d’huile, la chaleur (en Joules) permet l’augmentation de l’énergie interne $U.$ Si l’énergie interne augmente, alors $\Delta U > 0$, à savoir que la frite cuit. On pourrait aller plus loin en reliant l’énergie interne à la température de la frite, puisqu’on considère un système incompressible.