Physique - Premier principe de la thermodynamique

Légende alternative :

représente l'ensemble des énergies qui se manifestent à l'échelle microscopiques. Ainsi on retrouve : l'énergie potentielle d'interactions et l'énergie cinétique de toutes les entités élémentaires du système. U = Ec,micro + Ep,micro Ec,micro énergie cinétique microscopique liée à l'agitation thermique des entités du système Ep,micro: énergie potentielle microscopique liée aux interactions entre les entités du système Toutes les grandeurs sont en joule noté J. RAPPEL A l'échelle macroscopiques, les énergies sont : énergie cinétique d'ensemble du système, énergie potentielle de pesanteur ou énergie potentielle électriques. H A RETENIR: L'énergie totale d'un système est la somme de l'énergie mécaniques et de l'énergie interne : Etot = Em + U L'énergie mécanique d'un système macroscopique résulte de contributions macroscopiques : l'énergie cinétique macroscopique et l'énergie potentielle macroscopique. H A RETENIR: Si l'énergie mécanique d'une système est constante, alors la variation d'énergie totale qui évolue d'un état initial à un état final est égale à la variation d'énergie interne : AEtot = Etot,f-Etot,i = AU = Uf - U₁ car AEm = 0 A SAVOIR Il existe deux modes de transfert d'énergie entre un système et le milieu extérieur : • Le travail W lié au déplacement du point d'application d'une force s'exerçant sur le système; • Le transfert thermique Q qui a lieu lorsque qu'il y a une différence de température entre le système et le milieu extérieur (s'effectue toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid). A RETENIR: Le premier principe de la thermodynamique énonce : AEtot = AEm + AU = U=W+Q Or si le système n'échange pas de matière avec l'extérieur (système fermé) et qui est au repos; soit que l'énergie mécanique est constante, alors on a : AU = W+Q H Q> 0 : système reçoit de la chaleur, transformation endothermique Q< 0: système libère de la chaleur, transformation exothermique W> 0 travail reçu par le système W<0 travail cédé par le système H A RETENIR: Pour un système incompressible (liquide ou solide) ainsi que pour les gaz parfait, le travail des forces est nul ainsi on a la variation d'énergie interne égale au transfert thermiques (premier principe de la thermodynamique). D'où la relation: AU = Q = CX (Tf - T;) or on a C = m X c donc AU = mx cx AT AU: variation d'énergie interne, en J; Q: transfert d'énergie, en J; C: capacité thermique du système, en J. K-¹ ou J. °C-¹; T₁ température initiale du corps, en K ou en °C; T: température finale du corps, en K ou en °C; Rappel : T(K) = T(°C) + 273 m: masse du corps chauffé, en kg; c: capacité thermique massique correspond à l'énergie qu'il faut fournir à 1kg du matériau pour élever sa température de 1°C A RETENIR: AU > 0, si le système s'échauffe et AU <0, si le système se refroidit. ● A SAVOIR: Pour établir un bilan d'énergie, il y a trois étapes : Définir le système macroscopique étudié {système}; • Relever la nature des transferts énergétiques (par travail W ou par transfert thermique Q) entre le système et le milieu extérieur; EXEMPLE: Pour réaliser un œuf poché avec un cuiseur solaire, on chauffe, de 20 à 95 °C, 250 g d'eau dans un récipient pesant 500 g. On considère le système {eau et son récipient}. Repérer le sens de ces transferts et leur attribuer un signe positif si le système reçoit de l'énergie ou négatif s'il en cède. 1. a. Le système au repos macroscopique étudié est l'eau et son récipient. Grâce au couvercle, il n'y a pas d'échange de matière avec le reste de l'Univers, qui est le milieu extérieur. Le système est dans l'état initial à 20 °C, dans l'état final à 95 °C. Les transferts d'énergie entre le système et le milieu extérieur sont des transferts thermiques. OO Le transfert thermique Q₁, entre le cuiseur solaire et le système, et le transfert thermique Q₂, entre le Soleil et le système, permettent au système d'augmenter son énergie interne : ils sont comptés positivement. H Le transfert thermique Q3, entre l'air environnant et le système, diminue l'énergie interne du système : il est compté négativement.