thermodynamique appliquée partie 2 bilan d`énergie appliqué

THERMODYNAMIQUE APPLIQUÉE
PARTIE 2
BILAN D’ÉNERGIE APPLIQUÉ AUX SYSTÈMES
OUVERTS
I. Différentes formes d’énergie
IL’énergie est un concept fondamental en physique
IDifférentes formes d’énergie existent
1. Energie propre au système
Les diverses formes d’énergie propres au système dépendent de son état
et sont donc des fonctions d’état.
Elles se décomposent en
Iune énergie externe : énergie dépendant de la position et du
mouvement du système pris comme un tout, observable à l’échelle
macroscopique
Iune énergie interne : énergie associée à l’état interne du système,
"observable" à l’échelle microscopique

Energies externes
Energie cinétique
Propre à la mécanique, l’énergie cinétique macroscopique résulte de la
sommation sur l’ensemble du système de l’énergie cinétique de chaque
élément de volume le constituant.
Elle est donc définie par :
Ec=ZΩ
1
2ρv2dV
Energie potentielle
Lorsqu’un système est soumis à des forces extérieures f, on définit, si elle
existe, l’énergie potentielle Eppar :
f=−∇Ep
Son utilisation n’est qu’une commodité puisque l’influence de ces forces peut
être prise en compte par leur travail, ce qui est équivalent :
dEp=∇Ep·dl=−f·dl
Energie interne
L’énergie interne Uest liée aux mouvements et interactions entre les
particules constitutives du système.
Elle est essentiellement liée à l’agitation thermique et correspond à
l’énergie cinétique (désordonnée) des particules en repère relatif (lié au
mouvement d’ensemble du système) et à l’énergie d’interaction
intermoléculaire.
Il s’agit donc d’une grandeur non observable dont l’introduction à l’échelle
macroscopique est directement liée au premier principe.
Elle peut cependant être construite à partir de modèles microscopiques.

Energie totale
L’énergie totale Eest par définition :
E=U+Ep+Ec(= U+Em)
Elle rend compte de l’ensemble des contributions énumérées au-dessus et
est donc caractéristique de l’énergie stockée par le système sous
quelque forme que ce soit.
2. Energies échangées
Travail
Le travail rend compte de l’énergie macroscopique transférée au système.
Le travail W1→2conduisant de l’état 1à l’état 2est défini par :
W1→2=Z2
1
δW=Za2
a1
A da
où δWest le travail élémentaire, Aune variable intensive (force généralisée)
et ala variable (déplacement généralisé) associée.
Exemple : le travail mécanique d’une force fagissant entre les positions M1
et M2s’écrit :
W1→2=ZM2
M1
f·dl
où dlest le déplacement élémentaire.

Si l’on associe une énergie potentielle à certaines forces, on note W0le
travail des autres forces.
Il est quelquefois souhaitable d’exprimer le travail en fonction de variables
du système.
Ceci n’est possible que si l’on dispose de relations qui les lient aux
grandeurs intervenant dans l’expression du travail.
En Mécanique par exemple, le principe des actions réciproques égalise la
densité surfacique d’efforts extérieurs et l’état de contraintes à la frontière du
système, ce qui les rend interchangeables.
Travail des forces de pression uniforme
Dans nombre d’applications pratiques (évolutions suffisamment lentes de
gaz non pesants décrits par les variables P,Vet T), le travail se réduit à
l’action des efforts d’une pression uniforme sur la frontière du système.
Celui-ci vaut alors :
W1→2=ZV2
V1
−P dV
et le travail élémentaire :
δW=−P dV

Chaleur
La chaleur rend compte de l’énergie microscopique transférée au
système.
Un transfert de chaleur correspond à une variation du "désordre"
microscopique. Il peut résulter soit d’un échange d’énergie désordonnée,
soit d’une transformation d’énergie ordonnée en énergie désordonnée. Il est
directement lié à la température.
Exemples
Si deux corps sont mis en présence, les particules les plus agitées
(thermiquement) excitent les particules les moins agitées.
Si les deux corps sont en contact et mobiles l’un par rapport à l’autre, le
mouvement relatif des particules de l’un par rapport à l’autre excite les
particules voisines de la surface de contact (frottement), provoquant un
échauffement et transformant une partie de l’énergie cinétique
macroscopique (ordonnée) en énergie cinétique microscopique (énergie
interne).
Lors d’un changement de phase (température constante), la chaleur
apportée accroît l’agitation moléculaire, ce qui se traduit par un désordre
croissant et un changement d’état.