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Expliquer la variation d'énergie interne d'un système

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Objectifs
  • Citer les différentes contributions microscopiques à l’énergie interne d’un système.
  • Distinguer, dans un bilan d’énergie, la variation de l’énergie du système et les transferts d’énergie entre le système et l’extérieur.
Points clés
  • L’énergie interne U d’un système est égale à la somme des énergies microscopiques cinétique et potentielle d’interaction des particules qui composent le système.
  • Un système échange avec l’extérieur de l’énergie qui peut se trouver sous deux formes : le travail et le transfert thermique.
    • Le travail W correspond au travail d’une force qui s’exerce sur le système.
    • Le transfert thermique Q correspond à un échange d’énergie qui se réalise microscopiquement entre le système et l’extérieur.
    Ces énergies sont comptées positivement si le système les reçoit et négativement si le système les cède.
  • Le premier principe de la thermodynamique stipule que la variation d’énergie interne du système est égale à la somme du travail et du transfert thermique : ΔU = W + Q.
Pour bien comprendre

Travail d’une force

1. Les échanges d'énergie d'un système

Un système peut échanger avec l’extérieur de l’énergie et de la matière. Si le système est fermé, alors l’échange de matière est impossible : sa quantité de matière reste constante.

Au cours de transformations, le système peut réaliser des transferts d’énergie avec l’extérieur. Ses échanges d’énergie peuvent être de deux sortes : le travail et le transfert thermique.

a. Le travail
Le travail W est un transfert d’énergie qui implique l’existence d’une force agissant sur le système et dont le point d’application se déplace. L’unité du travail est le joule (J). C’est un travail d’origine macroscopique.
Rappel
Le travail d’une force  constante et dont le point d’application se déplace selon un vecteur  a pour expression .

On peut avoir un travail mécanique (qui est lié aux forces pressantes) ou un travail électrique (qui est lié aux forces électriques).

b. Le transfert thermique
Le transfert thermique Q est un transfert d’énergie d’origine microscopique, qui s’effectue par un transfert d’énergie de proche en proche du fait du mouvement désordonné des particules du système et de l’extérieur. Son unité est le joule (J).

Ce transfert a lieu lorsque les températures du système et de l’extérieur sont différentes.

L’énergie transférée va toujours du corps de plus haute température vers le corps de plus basse température.
Remarque
Un système qui a un transfert thermique non nul peut voir sa température modifiée ou subir un changement d’état.
Échanges d’énergie algébriques

Le travail et le transfert thermique sont des grandeurs algébriques, c’est-à-dire qu’elles peuvent être positives ou négatives. Elles sont positives si le système reçoit de l’énergie et négatives s’il en cède.

2. Le premier principe de la thermodynamique

Un système macroscopique (c’est-à-dire à notre échelle) est constitué d’un très grand nombre de particules. Ces particules peuvent se déplacer et interagir entre elles.

On associe à chaque particule une énergie cinétique microscopique (liée à son mouvement) et une énergie potentielle d’interaction (liée aux interactions de cette particule avec les autres particules).

La variation d’énergie interne d’un système
L’énergie interne U d’un système est égale à la somme des énergies microscopiques cinétique et potentielle d’interaction des particules qui le constituent. Son unité est le joule (J).

Entre un état initial et un état final, où le système subit des transformations, l’énergie interne peut varier.

La variation d’énergie interne du système s’écrit de la manière suivante.

ΔU = Ufinal – Uinitial
avec :
  • ΔU la variation d’énergie interne du système, en joule (J)
  • Ufinal et Uinitial les énergies internes à l’état initial et à l’état final du système, en joule (J)

Le système, en fonction des transferts d’énergie avec l’extérieur au cours de ses transformations, peut perdre ou gagner de l’énergie.

Si le système perd de l’énergie Si le système gagne de l’énergie
ΔU < 0 ΔU > 0
Remarque
Si les transferts d’énergie se compensent, alors l’énergie interne du système est inchangée : ΔU = 0
Le premier principe de la thermodynamique
Le premier principe de la thermodynamique fait le lien entre la variation d’énergie interne d’un système entre un état initial et un état final, avec les transferts d’énergie réalisés entre ces deux états.
ΔU = W + Q avec :
  • ΔU la variation d’énergie interne du système, en joule (J)
  • W le travail appliqué sur le système, en joule (J)
  • Q le transfert thermique avec l’extérieur du système, en joule (J)
Cas où il n’y a pas d’échanges thermiques avec l’extérieur

Si le système n’échange pas d’énergie thermique avec l’extérieur (Q = 0 J), le premier principe de la thermodynamique s’écrit ΔU = W.

Cas où il n’y a pas de forces appliquées sur le système

Si aucune force n’est appliquée sur le système (ce qui implique W = 0 J), le premier principe de la thermodynamique s’écrit ΔU = Q.

Cas où le système est isolé

Si le système est isolé, alors on a Q = 0 J et W = 0 J. Dans ces conditions, le premier principe de la thermodynamique s’écrit ΔU = 0.

L’énergie interne ne varie pas entre l’état initial et l’état final.

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