3 : La première loi de la thermodynamique
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L'énergie est conservée dans tous les processus, y compris ceux associés aux systèmes thermodynamiques. Les rôles du transfert de chaleur et du changement d'énergie interne varient d'un processus à l'autre et influent sur la façon dont le système effectue le travail dans ce processus. Nous verrons que la première loi de la thermodynamique explique qu'une modification de l'énergie interne d'un système provient de changements de chaleur ou de travail. Il est donc essentiel de comprendre les lois qui régissent les processus thermodynamiques et la relation entre le système et son environnement pour acquérir des connaissances scientifiques sur l'énergie et la consommation d'énergie.
- 3.1 : Prélude à la première loi de la thermodynamique
- Dans un moteur de voiture, la chaleur est produite lorsque le carburant brûlé est transformé chimiquement en CO₂ et en H₂, qui sont des gaz à la température de combustion. Ces gaz exercent une force sur un piston par le biais d'un déplacement, fonctionnent et convertissent l'énergie cinétique du piston en diverses autres formes : en énergie cinétique de la voiture, en énergie électrique pour faire fonctionner les bougies d'allumage, la radio et les lumières, et de nouveau en énergie stockée dans la batterie de la voiture.
- 3.2 : Systèmes thermodynamiques
- Un système thermodynamique comprend tout ce dont les propriétés thermodynamiques présentent un intérêt. Il est intégré à son environnement ou à son environnement ; il peut échanger de la chaleur avec son environnement et y travailler par le biais d'une limite, qui est le mur imaginaire qui sépare le système de l'environnement. En réalité, l'environnement immédiat du système interagit directement avec celui-ci et a donc une influence beaucoup plus forte sur son comportement et ses propriétés.
- 3.3 : Travail, chaleur et énergie interne
- Un système thermodynamique effectue un travail positif (négatif) lorsqu'il se dilate (se contracte) sous l'effet d'une pression externe. La chaleur est l'énergie transférée entre deux objets (ou deux parties d'un système) en raison d'une différence de température. L'énergie interne d'un système thermodynamique est son énergie mécanique totale.
- 3.4 : Première loi de la thermodynamique
- Maintenant que nous avons vu comment calculer l'énergie interne, la chaleur et le travail effectué pour un système thermodynamique soumis à des modifications au cours d'un processus, nous pouvons voir comment ces quantités interagissent pour affecter l'ampleur des changements qui peuvent se produire. Cette interaction est donnée par la première loi de la thermodynamique, selon laquelle on ne peut pas extraire plus d'énergie d'un système que ce que l'on y injecte. Nous verrons dans ce chapitre comment l'énergie interne, la chaleur et le travail jouent tous un rôle dans la première loi de la thermodynamique.
- 3.5 : Processus thermodynamiques
- Le comportement thermique d'un système est décrit en termes de variables thermodynamiques. Pour un gaz idéal, ces variables sont la pression, le volume, la température et le nombre de molécules ou de moles du gaz. Pour les systèmes en équilibre thermodynamique, les variables thermodynamiques sont liées par une équation d'état. Un réservoir de chaleur est si grand que lorsqu'il échange de la chaleur avec d'autres systèmes, sa température ne change pas.
- 3.6 : Capacités thermiques d'un gaz idéal
- Nous avons déjà découvert la chaleur spécifique et la capacité calorifique molaire ; toutefois, nous n'avons pas envisagé de processus par lequel de la chaleur est ajoutée. C'est ce que nous faisons dans cette section. Nous examinons d'abord un processus dans lequel le système a un volume constant, puis nous le comparons à un système à pression constante et montrons comment leurs chaleurs spécifiques sont liées.
- 3.7 : Procédés adiabatiques pour un gaz idéal
- Lorsqu'un gaz idéal est comprimé adiabatiquement, on travaille dessus et sa température augmente ; lors d'une expansion adiabatique, le gaz agit et sa température baisse. Les compressions adiabatiques se produisent en fait dans les cylindres d'une voiture, où les compressions du mélange gaz-air se font si rapidement que le mélange n'a pas le temps d'échanger de la chaleur avec son environnement.
Vignette : Différents chemins thermodynamiques empruntés par un système pour passer de l'état A à l'état B. Pour toutes les transitions, la variation de l'énergie interne du système\(ΔE_{int}=Q−W\) est la même.