Expliquer la variation d'énergie interne d'un système
- 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.
- 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.
- 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.
Travail d’une force
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.
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).
Ce transfert a lieu lorsque les températures du système et de l’extérieur sont différentes.
Un système qui a un transfert thermique non nul peut voir sa température modifiée ou subir un changement d’état.
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.
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).
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 :
|
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 |
Si les transferts d’énergie se compensent, alors l’énergie interne du système est inchangée : ΔU = 0
| ΔU = W + Q |
avec :
|
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.
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.
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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