Premier principe de la thermodynamique

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« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »
— Lavoisier

Principes de la thermodynamique
Principe zéro de la thermodynamique
Premier principe de la thermodynamique
Deuxième principe de la thermodynamique
Troisième principe de la thermodynamique

Le premier principe de la thermodynamique stipule que lors de toute transformation, il y a conservation de l'énergie.

Dans le cas des systèmes thermodynamiques fermés, il s'énonce de la manière suivante :

« Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé, la variation de son énergie est égale à la quantité d'énergie échangée avec le milieu extérieur, sous forme de chaleur et sous forme de travail. »

[modifier] Expression

Ce principe peut être exprimé par la formule :

$\Delta E = \Delta U + \Delta Ec + \Delta Ep= W + Q \,$

$\Delta E \,$ est la variation totale d'énergie du système thermodynamique.
$\Delta U \,$ est la variation de l'énergie interne du système; c'est à dire son énergie propre correspondant aux énergies cinétiques et potentielles microscopiques, des particules qui le constituent.
$\Delta Ec \,$ est la variation de l'énergie cinétique à l'échelle macroscopique ( mouvement du système dans un référentiel donné).
$\Delta Ep \,$ est la variation de l'énergie potentielle à l'échelle macroscopique, du système en intéraction avec des champs gravitationnel ou électro-magnétiques.

$W \,$ est la partie de l'énergie qui correspond au travail échangé avec le milieu extérieur. Le travail n'est pas une fonction d'état mais un mode de transfert ordonné d'énergie entre le milieu extérieur et le système.
$Q \,$ est la quantité d'énergie mise en jeu sous forme de chaleur. Elle est transmise essentiellement par trois processus d'échange thermique : conduction thermique, convection, rayonnement. La chaleur n'est pas non plus une fonction d'état mais un mode de transfert d'énergie microscopique désordonné. C'est en quelque sorte un transfert d'agitation thermique entre le système et le milieu extérieur, qui est par nature désordonné.

[modifier] Remarques

Lorsque les systèmes sont au repos à l'échelle macroscopique ce qui en général, est le cas pour les transformations thermodynamiques , les énergies cinétique $Ec~$ et potentielle $Ep~$ restent constantes et seule l'énergie interne $U~$ du système varie ( par exemple: un réacteur chimique, un calorimètre...).

Le premier principe s'écrit alors:

$\Delta U = W + Q ~$

Il existe plusieurs sortes de transfert ordonné d'énergie: travail des forces de pression, travail électrique fourni lors d'une réaction électrochimique de pile, travail dû à des interactions électromagnétiques...

Dans le cas du travail induit par les forces de pression qui correspond à la forme de travail la plus courante rencontrée en thermodynamique classique, il s'exprime ainsi:

$\delta W_{fp} = - p_{ext} dV \,$

Le signe - tient compte du fait que lors d'une détente il y a augmentation de volume ( dV > 0 ) et le système fournit dans ce cas, du travail au milieu extérieur; travail compté négativement d'après la règle des signes.

$p_{ext} \,$ étant la pression du milieu extérieur,