La conservation de l'énergie
August 5, 2022•933 words
La thermodynamique se fonde sur trois principes :
- la température (ou le principe zéro)
- le premier principe
- le deuxième principe
Si on dit que la température est le principe zéro, c'est parce qu'on a souvent utilisé cette notion sans qu'elle ait été réellement définie.
Le premier principe, que nous allons voir aujourd'hui, n'est ni plus ni moins que la conservation de l'énergie. Cela peut paraître banal, pourtant elle nous permet de voir des propriétés qui ne sont pas si évidentes que ça.
Pour appliquer le premier principe de la thermodynamique, on commence par étudier un système et en déterminer les paramètres qui définissent son état. On peut prendre l'exemple du système d'un moteur thermique à pistons dont on étudie le gaz. Ainsi, les paramètres qui peuvent varier sont : la température, la pression et le volume. Les transformations vont ainsi échanger de l'énergie avec l'extérieur. Dans le cas du moteur, il va échanger un travail mécanique grâce aux pistons. Ainsi, le gaz va exercer sur le piston une force motrice sur les roues de la voiture.
Les différentes formes d'énergies
L'énergie est présente sous plusieurs formes et il est souvent possible de convertir une énergie en une autre. Le but de la thermodynamique est d'optimiser cette conversion et d'obtenir un maximum de cette énergie sous une forme réutilisable.
L'énergie mécanique
Les différentes formes d'énergies mécaniques sont :
- l'énergie cinétique : dû à un mouvement
- l'énergie potentielle de pesanteur : dû à sa position dans un champ de pesanteur (ex.: barrage hydroélectrique)
- l'énergie potentielle élastique (ex.: un ressort compressé ou étendu)
L'énergie électrique
Elle peut être perçue comme un cas particulier de l'énergie mécanique, car elle est interprétée comme résultant de l'action de forces électrostatiques. C'est le mouvement / des transferts induit par des différences de potentiel électrique.
C'est une énergie difficile à stocker, elle passe par des inductances ou des condensateurs, mais cela ne stocke qu'une faible quantité d'énergie. Il faut alors utiliser des batteries, mais il faut alors utiliser la chimie.
L'énergie potentielle chimique
L'énergie est stockée par la liaison chimique dans les molécules. C'est la principale source d'énergie. Elle intervient dans les piles, la combustion de charbon, de bois, de fuel ou d'essence. La combustion convertit ainsi l'énergie potentielle chimique en quantité de chaleur.
L'énergie électromagnétique
Cette énergie est déplacée par les ondes électromagnétiques. Par exemple, les ampoules à filament convertissent la chaleur produite en faisant passer un courant électrique en lumière (énergie électromagnétique).
Les conversions d'énergies
Toutes les conversions entre les différentes formes d’énergie sont possibles, mais le rendement n’est pas toujours de 100 %. Lors d’une transformation où il y a échange de chaleur, il n’est pas possible de convertir l’intégralité d’une quantité de chaleur en une forme d’énergie ordonnée macroscopiquement.
| Forme finale \ Forme initiale | Énergie microscopique désordonnée | Mécanique | Électrique | Chimique | Électromagnétique |
|---|---|---|---|---|---|
Énergie microscopique désordonnée | - | Force de frottement Rendement = 100 % | Effet Joule Rendement = 100 % | Réaction chimique rendement 100 % | Absorption par un corps noir = Rendement proche de 100 % |
| Mécanique | Moteurs thermiques (moteurs de très gros bateaux) Rendement max = 55 % | - | Moteur électrique Rendement proche de 100 % | Micromoteurs, biologie (muscles : rendement de l’ordre de 10 %) | Pas de conversion directe simple si ce n'est les voiles solaires dans lʼespace (rendement de 10 % environ) |
| Électrique | Effet thermoélectrique Rendement très faible (quelques %) | Alternateur, dynamo Rendement proche de 100 % | - | Piles et batteries Rendement supérieures à 90 % pour certaines batteries | Cellule photovoltaïque Rendement ≈ 20 % (voire plus de 45 % pour certaines technologies) |
| Chimique | Déplacement des équilibres chimiques | Déplacement des équilibres chimiques grâce à la pression | Électrolyse | - | Réaction induite par des photons (exemple : photosynthèse) |
| Électromagnétique | Rayonnement d’un corps chaud dans le domaine visible Rendement = 2-3 % | Pas de conversion directe simple | Antenne, diodes Rendement 10 à 20 % pour les diodes | Fluorescence | - |
Énoncé du premier principe
À tout système est associé une fonction d’état U, appelée énergie interne, qui caractérise l’énergie emmagasinée et qui ne dépend que de l’état du système. Au cours d’une transformation quelconque, la variation de U est égale à l’énergie reçue par le système, ce qui peut se traduire par :
ΔU = Q + W, où Q est la quantité de chaleur reçue par le système, W la somme des travaux reçus et ΔU = Ufinal − Uinitial.
U est une fonction d'état, c'est-à-dire que seul l'état final compte, on ne s'intéresse pas aux transformations intermédiaires qui ont servi à arriver à cet état.
Par exemple, pour les machines thermiques que nous étudierons plus tard dans le cadre des pompes à chaleurs, les systèmes subissent des cycles et repassent par les mêmes états. Lorsque le système revient à l'état initial, son énergie interne doit être identique. Donc après un cycle complet, l'énergie interne doit être nulle.
Les capacités thermiques
- Cp : est le coefficient qui relie la quantité de chaleur échangée à l’augmentation de température, la pression étant invariante.
- Cv : est le coefficient qui relie la quantité de chaleur échangée à l’augmentation de température, le volume étant invariant.
L'enthalpie
À partir de l'énergie interne, nous pouvons former d'autres fonctions d'état.
La fonction enthalpie, notée en général H, vaut H = U + PV.
La pression P, le volume V et l’énergie interne U étant des fonctions d’état, H est aussi une fonction d’état.
Cette fonction est très utile pour les transformations isobares (à pression constante), car sa variation s’identifie à la quantité de chaleur échangée.
Il ne reste alors que : ΔH = Q
CONCLUSION
Toutes ces notions (j'en ai passé certaines afin de ne pas alourdir le texte, si vous souhaitez plus de précision envoyez-moi un mail ou alors Wikipédia est votre meilleur ami !) sont essentielles pour l'étude des systèmes thermodynamiques.
Demain, nous aborderons le second principe de la thermodynamique.