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Le premier principe de la thermodynamique
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Introduction :
La thermodynamique a pour objet de décrire le comportement de systèmes macroscopiques d’un état d’équilibre initial à un état final.
Préalablement à ce cours, nous fournirons une définition générale d’un système thermodynamique, puis nous évoquerons un cas particulier de systèmes : les systèmes fermés.
Ensuite, nous montrerons qu’un système thermodynamique est amené à échanger de l’énergie avec son environnement. Ainsi, nous introduirons le fait que ces transferts d’énergie n’ont lieu que sous la forme d’un travail et d’un transfert thermique. Nous développerons plus précisément les différents transferts thermiques dans le chapitre suivant.
Après avoir posé ces bases essentielles à la compréhension de ce cours, nous pourrons alors énoncer le premier principe de la thermodynamique qui n’est que le reflet d’une constatation physique simple : l’énergie ne peut être détruite !
Système thermodynamique
Système thermodynamique
Comme nous l’avions indiqué en introduction, la thermodynamique s’attache à décrire le comportement de systèmes macroscopiques, c’est-à-dire d’ensembles constitués d’un très grand nombre d’entités.
La résolution d’un problème de thermodynamique suppose donc, au préalable, d’avoir délimité de façon très précise l’objet de notre étude ou le système thermodynamique.
Supposons un système thermodynamique constitué de moles de gaz emprisonné dans un réservoir fermé par une vanne.
Dans notre cas, notre système thermodynamique est l’ensemble constitué de moles de gaz. La paroi du réservoir est alors la frontière séparant le système du milieu extérieur.
Système thermodynamique :
Un système thermodynamique est l’ensemble des entités contenues à l’intérieur d’une surface fermée.
Un système thermodynamique doit toujours être distingué de façon très précise du reste de l’environnement appelé milieu extérieur.
La paroi ou frontière séparant le système du milieu extérieur est alors une interface d’échanges entre ces deux milieux.
On remarque de façon intuitive que la nature de la paroi aura une incidence sur les échanges possibles entre le système et le milieu extérieur. Cette constatation nous amène maintenant à définir un type de systèmes particuliers : le système fermé.
Types de systèmes
Reprenons l’exemple de notre système précédent et supposons que la paroi du réservoir soit totalement imperméable, c’est-à-dire qu’elle ne permet aucun échange de matière avec le milieu extérieur.
Supposons maintenant, qu’un opérateur décide d’ouvrir la vanne ou que notre paroi soit devenue poreuse par l’usure du temps, laissant alors échapper le gaz emprisonné dans l’enceinte vers le milieu extérieur.
Par définition, un système thermodynamique fermé ne peut pas échanger de matière avec le milieu extérieur, mais il peut bien entendu échanger de l’énergie.
En opposition, un système thermodynamique ouvert échange de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur.
Enfin, un système thermodynamique isolé n’échange ni matière ni énergie avec le milieu extérieur.
Dans le cadre de notre programme de terminale, seuls les systèmes fermés seront étudiés.
Penchons-nous maintenant sur la nature des échanges d’énergie possibles entre un système thermodynamique fermé et le milieu extérieur.
Échanges d’énergie
Nature des échanges d’énergie
Les échanges d’énergie entre le système thermodynamique et le milieu extérieur peuvent se faire de façon ordonnée ou non.
On distingue alors deux types d’échanges :
Ces deux grandeurs sont exprimées en joule .
Abordons tout d’abord, les transferts d’énergie sous forme de travail.
Les échanges d’énergie sous forme de travail
Supposons un système thermodynamique constitué d’une masse de gaz enfermé dans une enceinte dont on peut modifier le volume à l’aide d’un piston qui se déplace sans frottement. Ce système est donc compressible.
On constate que si un opérateur pousse le piston, ce dernier va exercer une force pressante sur le gaz.
Après avoir abordé les transferts d’énergie sous forme de travail, penchons-nous maintenant sur les transferts d’énergie de nature thermique.
Les échanges d’énergie thermique
Supposons maintenant que notre système thermodynamique est constitué de moles de gaz dans un réservoir à et qu’un opérateur décide de placer ce réservoir près d’une source chaude à .
Nous savons de façon intuitive que le transfert thermique se fera toujours du corps chaud vers le corps froid, jusqu’à atteindre un état d’équilibre thermique. Arrivés à cet état, le système et la source chaude auront la même température.
Nous avons vu deux situations où notre système a reçu du milieu extérieur de l’énergie sous forme de travail ou de nature thermique. Il peut bien entendu lui aussi fournir de l’énergie au milieu extérieur.
L’énergie sous forme de travail ou de nature thermique doit être comptée :
Pour éviter des erreurs dans le signe de l’énergie, il faut se mettre à « la place du système » et indiquer un signe devant la valeur de l’énergie qu’on reçoit, et un signe devant la valeur de l’énergie qu’on cède.
Premier principe de la thermodynamique
Nous avons, dans un précédent cours, montré que la variation d’énergie d’un système au cours d’une transformation thermodynamique peut s’exprimer de la façon suivante :
Avec :
Or, les transferts d’énergie ne pouvant avoir lieu que sous forme de travail ou d’énergie thermique , la variation d’énergie d’un système thermodynamique peut s’écrire comme la somme du travail échangé et de l’énergie thermique échangée avec l’extérieur.
Premier principe de la thermodynamique :
La variation d’énergie totale d’un système thermodynamique fermé est égale à la quantité de travail et d’énergie thermique échangés avec le milieu extérieur. Avec :
Par ailleurs, nous avons aussi montré que si le système thermodynamique est macroscopiquement au repos, sa variation d’énergie totale se réduisait alors à sa variation d’énergie interne.
En pareil cas, on a , ce qui implique alors que .
La variation d’énergie interne d’un système thermodynamique macroscopiquement au repos est égale à : Avec :
Conclusion :
Dans ce cours, nous avons pu définir la notion de système thermodynamiquement fermé, seul objet de notre programme.
Après en avoir donné une définition claire, nous avons pu constater qu’un tel système peut échanger de l’énergie sous forme de travail ou de transferts thermiques avec son environnement qu’on appelle milieu extérieur.
Ensuite, et ce fut là l’élément essentiel de ce cours, nous avons montré que la variation d’énergie totale d’un système thermodynamique fermé n’est autre que la somme algébrique de tous les échanges d’énergie que le système entretient avec le milieu extérieur.