Transformations, principes de la thermodynamique/Premier principe de la thermodynamique

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Le premier principe traduit la conservation de l'énergie.

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Premier principe de la thermodynamique

Pour tout système thermodynamique, on peut définir une fonction U, appelée énergie interne définie à une constante près, vérifiant : U est une fonction d'état U est extensive Pour un système isolé, U se conserve La variation de U au cours d'une transformation infinitésimale du système vérifie dU + dEc,macro + dEp,ext = δW + δQ, avec : dEc,macro : variation de l'énergie cinétique macroscopique dEp,ext : variation de l'énergie potentielle extérieure ou encore opposé du travail des forces conservatives extérieures δW : travail des forces internes au système δQ : chaleur échangée (par conduction, convection ou rayonnement)

δW et δQ sont comptés selon la convention « du banquier » (c'est-à-dire algébriquement) : lorsque le système reçoit de l'énergie ou de la chaleur, cette dernière est comptée positivement. À l'inverse, lorsque le système cède de la chaleur ou de l'énergie, cette dernière est comptée négativement. On peut noter que lorsqu'un système A reçoit (resp. cède) de l'énergie à un système B, du point de vue du système B, les signes sont inversés, car B cède (resp. reçoit) de l'énergie à A. C'est une erreur fréquente de calculer l'énergie échangée par un système A avec un système B en prenant pour référence A, puis introduire l'énergie ainsi calculée dans une équation prenant pour référence B en oubliant d'inverser les signes. Il est donc primordial en thermodynamique de toujours préciser le système que l'on considère pour appliquer le premier principe.

Remarque : Souvent, on écrit dU = δW + δQ car on considère que le laboratoire dans lequel sont effectuées les expériences possède une énergie cinétique et une énergie potentielle constantes. Ceci n'est par exemple pas valable dans une tuyère déformée dans laquelle s'écoule du gaz.

Forme intégrale du premier principe

Entre deux états d'équilibre thermodynamique : ΔU + ΔEc,macro + ΔEp,ext = W + Q Q et W sont comptées : positivement si elles sont reçues par le système négativement si elles sont cédées par le système

[modifier] Sources potentielles de W

Vous pouvez remarquer que le terme W est très vague, et c'est le cas. On utilise W pour désigner toutes les formes d'énergie échangée, sauf la chaleur. L'origine de cette distinction n'est en réalité qu'historique, à cause du comportement "étrange" de la chaleur par rapport aux autres formes d'énergie.

Tous les échanges d'énergie font intervenir deux types de grandeur: une variable extensive notée X_i, et une variable intensive notée x_i. Pour calculer l'énergie échangée W_i (on dit aussi travail, par analogie avec la mécanique), il suffit d'intégrer l'expression du travail élémentaire δW_i = X_i.dx_i. Voici les différentes formes d'énergie, la variable intensive et extensive associée, ainsi que le travail élémentaire:

Forme d'énergie	Variable intensive	Variable extensive	Travail élémentaire
Mécanique	Force	Déplacement
	Pression p	Volume V	-p.dV
Électrique	Potentiel V	Charge q	V.dq