Échanges d’énergie : travail, chaleur, énergie interne
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Le Premier Principe
Tout domaine des Sciences Physiques introduit le concept d’énergie. Bien que ce concept soit récent (environ deux siècles), il a largement dépassé le champ de compétences des Sciences Physiques et il n’est pas exagéré de dire qu’il conditionne " l’ordonnancement de nos vies sur la planète Terre " : le moindre " dérèglement " dans l’approvisionnement énergétique est source de conflits et d’interventions rapides.
1. Notion de conservation de l’énergie
Le lecteur pourra utiliser avec avantage, si nécessaire, l’annexe " Quelques rappels simples de Mécanique " située à la fin du chapitre.
Le mot énergie vient du grec energhia qui signifie " force en action " c’est à dire capacité à produire un mouvement.
Ainsi un corps qui possède de l’énergie cinétique (jadis appelée " force vive ") peut continuer, de lui-même, son mouvement au moins sur une certaine distance même dans un milieu résistant (s’opposant au mouvement).
L’énergie potentielle (jadis appelée " force morte ") a la capacité à produire un mouvement puisque, spontanément, par exemple, un corps pesant non contraint chute, une particule chargée q non contrainte à potentiel électrique V (
) se met en mouvement vers des régions de moindre énergie électrique.En Mécanique, on apprend :
- que forces et énergie cinétique apparaissent ensemble dans le théorème de l’énergie cinétique,
- que l’énergie potentielle est liée à la notion de forces conservatives c’est à dire de forces qui conservent l’énergie mécanique.Très vite, le concept d’énergie mécanique se révèle insuffisant.
Un opérateur exerce une action (force) sur un système qui acquiert de l’énergie mécanique. Dans un certain nombre de cas il se trouve que le travail de l’opérateur est égal à l’énergie mécanique acquise par le système.
Ceci est satisfaisant pour l’esprit humain attaché à la notion de conservation : l’énergie acquise par le système a été perdue par l’opérateur qui a pu la transmettre (l’échanger) par travail.
Comment interpréter si le travail de l’opérateur n’est pas égal à l’énergie mécanique acquise par le système ? Ceci se produit lorsqu’il y a " des frottements, des résistances " et l’énergie mécanique acquise est toujours inférieure au travail de l’opérateur.
L’ énergie de l’Univers diminue t’elle ? Y a t’il possibilité d’une création spontanée d’énergie qui compenserait partiellement, totalement la perte d’énergie, voire la dépasserait ce qui ferait que l’énergie de l’Univers augmenterait.
La réponse à ces questions constitue le Principe de conservation de l’énergie.2. Premier Principe de la Thermodynamique
2.1. Modification de l’état d’un système
par échange d’énergie sous forme de travail de forces d’opérateur extérieur
Un gaz est enfermé dans un récipient (cylindre) dont l’une (piston) des parois solides est mobile. Un opérateur extérieur en exerçant une force sur le piston provoque le déplacement de ce dernier et, par exemple, une diminution du volume occupé par le gaz. Il se produira une augmentation de la pression du gaz et, généralement, une variation de la température du gaz. L’état du système gaz a changé.
L’opérateur a effectué un travail qui, suivant ce que nous a appris la Mécanique, est un échange d’énergie entre le système gaz et l’opérateur extérieur. Cet échange d’énergie se traduit par une modification des variables d’état.par transferts thermiques (ou transfert de chaleur ou transfert d’énergie calorifique)
Lorsque nous mettons en " contact " des corps de températures différentes, nous produisons une modification de l’état de ces corps (changement des températures et/ou de phases).
L’eau contenue dans une casserole en contact avec la flamme d’un gaz en combustion voit sa température s’élever puis elle se met à bouillir c’est à dire elle se transforme en vapeur (gaz).Nous ne pouvons attribuer ces modifications de l’état du système à des échanges d’énergie sous forme de travail.
Dans ce cas, nous parlons de transferts thermiques (ou de transfert de chaleur).Cependant, il ne faudrait pas croire que ces deux façons d’agir sur un système peuvent être totalement équivalentes : par transferts thermiques, nous ne pouvons jamais affecter directement le mouvement d’un système.
Nous sommes tout à fait capables d’élever la température de l’eau contenue dans une casserole en mettant en mouvement des palettes solides (agitateur). Nous produisons des effets tout à fait comparables à ceux produits par transferts thermiques mais cette fois par échange d’énergie sous forme de travail.
Est-ce que les transferts thermiques (la chaleur) sont une autre façon d’échanger de l’énergie entre différents systèmes ?
La question a été longtemps débattue au 19ème siècle. La réponse fait partie du Principe d’équivalence à savoir que travail de forces et chaleur sont les deux seules façons possibles d’échanger de l’énergie entre systèmes fermés.Les travaux de J. Joule au siècle dernier ont été déterminants.
Dans un calorimètre (récipient contenant de l’eau dont les parois peuvent être parfaitement isolées d’un point de vue thermique), Joule, dans un premier temps, élevait la température par échange d’énergie sous forme de travail (W était fourni au calorimètre et compté positivement), dans un deuxième temps, il ramenait le calorimètre à son état initial en le refroidissant par échange de chaleur avec l’extérieur (la chaleur Q était perdue par le calorimètre et compté négativement).
Les mesures de Joule, sur ce cas expérimental, montrèrent que
Ce résultat suppose que travail et chaleur soient comptés dans une même unité.
En fait, avant Joule, les quantités de chaleur étaient comptées en calories, la calorie étant la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1g d’eau de 14,5 à 15,5 °Csous la pression atmosphérique normale.
Les expériences de Joule établissent un rapport entre l’unité travail (appelé actuellement Joule) et l’unité chaleur compris entre 4,1855 et 4,1860.1 cal = 4,18 joules
Le résultat
généralisé à tout système constitue le principe d’équivalence que nous énoncerons ainsi :
" Dans une expérience dans laquelle rien n’a varié d’autre que des quantités de travail et de chaleur échangées avec l’extérieur, il y a équivalence entre le travail et la chaleur "
ou
" Lorsqu’un système thermodynamique fermé quelconque subit un cycle de transformations qui le ramène à son état initial, la somme du travail W et de la chaleur Q échangés est nulle "
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