Chapitre 2 : Premier Principe de la Thermodynamique

 

Chapitre 2 : Premier Principe de la Thermodynamique

1. Conservation de l'Énergie

Le premier principe de la thermodynamique, également connu sous le nom de loi de la conservation de l'énergie, stipule que l'énergie totale d'un système isolé reste constante. En d'autres termes, l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée d'une forme à une autre.

Formulation Mathématique : ΔU=QW\Delta U = Q - W

Où :

  • ΔU\Delta U est la variation de l'énergie interne du système.
  • QQ est la chaleur ajoutée au système (positive si ajoutée, négative si retirée).
  • WW est le travail effectué par le système sur l'environnement (positive si le travail est fait par le système, négative si le travail est fait sur le système).

2. Travail et Chaleur

Travail (W) : Le travail en thermodynamique est une forme de transfert d'énergie. Il peut être effectué par un système sur son environnement ou inversement.

  • Travail dans un processus à volume constant (isochore) : Si le volume d'un système reste constant, aucun travail n'est effectué (W=0W = 0).
  • Travail dans un processus à pression constante (isobare) : Le travail effectué par un gaz en expansion à pression constante est donné par : W=PΔVW = P \Delta V Où PP est la pression et ΔV est la variation de volume.

Chaleur (Q) : La chaleur est une forme de transfert d'énergie due à une différence de température entre le système et son environnement.

  • Chaleur dans un processus isochore : Puisque le volume reste constant, tout ajout de chaleur augmente l'énergie interne. Q=Δ
  • Chaleur dans un processus isotherme : Si la température reste constante (ΔT=0\Delta T = 0), la chaleur ajoutée ou retirée est convertie en travail.

3. Énergie Interne

L'énergie interne (UU) d'un système est la somme de toutes les énergies microscopiques des molécules qui le composent, incluant l'énergie cinétique et l'énergie potentielle. C'est une fonction d'état, ce qui signifie que sa variation ne dépend que des états initial et final du système, et non du chemin suivi entre ces deux états.

  • Énergie interne et température : Pour un gaz parfait, l'énergie interne dépend uniquement de la température. Ainsi, une augmentation de la température entraîne une augmentation de l'énergie interne.
  • Formule pour un gaz parfait : ΔU=nCVΔT\Delta U = n C_V \Delta T Où nn est le nombre de moles, CVC_V est la capacité calorifique molaire à volume constant, et ΔT\Delta T est la variation de température.

Application du Premier Principe

1. Processus Isochore (Volume constant) : ΔU=Le travail W est nul, donc toute la chaleur ajoutée change l'énergie interne.

2. Processus Isobare (Pression constante) : ΔU=QPΔV La chaleur ajoutée est utilisée à la fois pour changer l'énergie interne et pour effectuer un travail
.
3. Processus Isotherme (Température constante) : ΔU=0 Toute la chaleur ajoutée est convertie en travail, car l'énergie interne reste constante.

4. Processus Adiabatique (Aucune chaleur échangée) : ΔU=W Toute l'énergie changée se manifeste sous forme de travail, car Q=0.

Conclusion

Le premier principe de la thermodynamique est fondamental pour comprendre comment l'énergie est transférée sous forme de travail et de chaleur dans les systèmes thermodynamiques. En utilisant les relations mathématiques présentées, il est possible de prévoir et de calculer les changements d'énergie interne d'un système en fonction des processus thermodynamiques qu'il subit.