Premier principe de la thermodynamique. Bilans énergétiques I

Premier principe de la thermodynamique.
Bilans énergétiques
I. Premier principe
1. Énergie d’un système
La mécanique a permis de faire émerger le concept d’énergie. Cependant l’énergie mécanique
d’un système, mesurée à l’échelle macroscopique, n’est pas une grandeur conservative. Elle
diminue en présence de forces de frottements. Les frottements provoquent un échauffement et
donc une augmentation de l’énergie cinétique microscopique. Pour faire un bilan énergétique
complet, il est donc nécessaire de tenir compte de l’énergie stockée à l’échelle microscopique :
c’est ce que l’on réalise avec l’énergie interne.
Dans ce cas on peut définir la grandeur Eappelée énergie qui est une grandeur conservative.
Par définition, un système isolé n’échange ni matière, ni énergie avec l’extérieur : l’énergie
d’un système isolé se conserve. Il n’y a ni création, ni disparition d’énergie.
On se placera dans un référentiel galiléen. On peut y définir l’énergie d’un système comme la
somme de son énergie cinétique macroscopique et de son énergie interne.
E=Ec,macro +U
Rappel : L’énergie interne contient quant à elle l’énergie cinétique microscopique comptée
dans le référentiel où le système est au repos (voir exemple d’un fluide en écoulement).
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2. Premier principe
À tout système thermodynamique on peut associer une fonction d’état extensive U
appelée énergie interne.
Lors d’une transformation quelconque d’un système fermé, d’un état d’équilibre (1) vers
un état d’équilibre (2), on a
∆(Ec,macro +U)=∆Ec,macro + ∆U=W+Q
Wet Qcorrespondent aux deux modes de transferts d’énergie :
•Wtravail des forces extérieures
W > 0le système reçoit effectivement de l’énergie
W < 0le système cède de l’énergie
•Qtransfert thermique (ou "chaleur")
Q > 0le système reçoit effectivement de l’énergie
Q < 0le système cède de l’énergie.
Ce transfert thermique correspond au transfert d’énergie qui ne peut pas s’écrire sous
forme d’un travail.
Uest une fonction d’état. Sa variation ∆U=U2−U1ne dépend donc que de l’état initial
et de l’état final : elle est indépendante de la transformation subie par le système pour aller
de l’état 1 vers l’état 2.
Au contraire Wet Qdépendent de la nature de la transformation subie par le système pour
aller de l’état 1 vers l’état 2.
Cas particulier d’une transformation cyclique
Au bout d’un cycle le système revient à son état initial : les états 1 et 2 correspondent à un
unique état. L’énergie interne étant une fonction d’état, on a :
∆U= 0
De même au bout d’un cycle, l’énergie cinétique macroscopique retrouve sa valeur initiale :
∆Ec,macro = 0
On en déduit le bilan énergétique pour un cycle :
Wcycle +Qcycle = 0
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Cas où une partie du travail est dû à des forces extérieures conservatives
Dans l’expression du premier principe formulée ci-dessus, Wdésigne le travail de toutes les
forces extérieures subies par le système. Certaines de ces forces peuvent être conservatives
(par exemple la force de pesanteur) et donc dériver d’une énergie potentielle Ep,ext.
On peut écrire
W=Wn.c +Wc=Wn.c −∆Ep,ext
avec Wc=−∆Ep,ext le travail des forces conservatives et Wn.c le travail des forces non conser-
vatives.
∆(Ec,macro +U) = Wn.c −∆Ep,ext +Q
Le bilan énergétique du premier principe s’exprime alors sous la forme :
∆(Ec,macro +Ep,ext +U) = Wn.c +Q
3. Premier principe appliqué à un système macroscopiquement au
repos
a) Bilan énergétique
Pour un système macroscopiquement au repos dans le référentiel d’étude (supposé galiléen)
Ec,macro = 0. Le bilan énergétique devient
∆U=W+Q
b) Cas d’une transformation infinitésimale
Si on considère une transformation infinitésimale entre deux états d’équilibre infiniment
proches (on peut le faire pour une transformation quasistatique, on passe d’un état (T, P, V )
à un état (T+ dT, P + dP, V + dV)), le bilan énergétique s’écrira sous la forme :
dU=δW +δQ
dUest la variation élémentaire de Uassociée à la variation infinitésimale des paramètres
d’état : c’est une différentielle exacte.
Z2
1
dU=U2−U1est indépendante du "chemin suivi" (ou de la transformation subie par le
système pour passer de l’état 1 à l’état 2.
δW et δQ ne sont pas des différentielles exactes car le travail "W" ou le transfert thermique
"Q" ne sont pas des fonctions d’état.
Le travail total reçu au cours de la transformation 1→2,Z2
1
δW =W, dépend de la
transformation subie.
Ex : l’aire sous la courbe dans le plan (P, V )dépend du chemin suivi pour aller du point de
départ (P1, V1)au point d’arrivée (P2, V2).
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Le transfert thermique total reçu au cours de la transformation 1→2,Z2
1
δQ =Q, dépend
de la transformation subie.
Remarques : On avait les mêmes notations en mécanique : pour une force non conservative
le travail W=Z2
1
δW dépend du chemin suivi.
Pour une force conservative δW =−dEp: le travail élémentaire s’exprime
sous la forme d’une différentielle exacte. W=Z2
1
δW =Ep1−Ep2est alors
indépendant du chemin suivi.
c) L’expérience de Joule
http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/thermo/joule.
html
Un transfert thermique correspond à tout transfert d’énergie non calculable directement sous
forme de travail. Pour calculer un transfert thermique :
Q= ∆U−W
C’est grâce aux transformation adiabatiques pour lesquelles Wadiab = ∆Uque l’on peut
connaître ∆U. On en déduira ensuite Qpour une transformation quelconque partant du
même état initial pour aller au même état final
Q= ∆U−W=Wadiab −W
On sait calculer le terme ∆Upour des systèmes particuliers (gaz parfaits, phases condensées...
On pourra donc déduire Qde l’application du premier principe.
Citer l’exemple du Callen 1(parallèle avec la quantité d’eau contenue dans un étang).
1. Herbert B. Callen, "Thermodynamics and a introduction to thermostatistics", Ed John Wiley & Sons,
2nd Edition p20
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II. Bilan énergétique d’une transformation isochore
On suppose le système macroscopiquement au repos dans le référentiel d’étude supposé ga-
liléen. On suppose que seules les forces de pressions sont susceptibles de travailler (pas de
travail électrique par exemple). Le premier principe s’exprime donc sous la forme :
∆U=W+Q
1. Transfert thermique QV
On note QVle transfert thermique reçu par le système au cours de la transformation.
Pour une transformation isochore V=cte,W= 0. On en déduit
∆U=QV
2. Exemples
– Transfert thermique reçu par nmoles de GPM au cours d’une transformation isochore :
QV= ∆U=3
2nR∆T=3 2nR(T2−T1)
– Transfert thermique reçu par nmoles de gaz parfait diatomique au cours d’une transforma-
tion isochore :
QV= ∆U=5
2nR∆T=5 2nR(T2−T1)
si on suppose CVindépendante de la température dans le domaine d’étude.
Remarque : En chimie, pourra être considérée comme isochore une réaction explosive.
III. Transformation isotherme d’un gaz parfait
L’énergie interne d’un gaz parfait ne dépend que de la température. On aura donc
pour une transformation isotherme d’un GP :
∆U= 0 = W+Q
Q=−W
On voit ici qu’une transformation isotherme n’est pas adiabatique et qu’il ne faut pas
confondre les deux adjectifs.
Remarque : L’énergie interne d’un gaz parfait ne dépendant que de la température, pour
que l’égalité ∆U= 0 reste valable il suffit que la température finale soit égale
à la température initiale (T2=T1), même si au cours de la transformation la
température n’est pas définie. On pourra alors encore écrire Q=−W.
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