Physique thermique

Premier principe de la thermodynamique

Le premier principe applique la conservation de l'énergie à un système thermodynamique : la variation de son énergie interne est la somme de la chaleur reçue et du travail effectué sur lui.

Chaleur et travail transfèrent tous deux de l'énergie à travers la frontière du système. Le premier principe les combine pour déterminer la variation d'énergie interne, selon une convention de signe explicite.

Cas particuliers

Dans une transformation adiabatique, $Q=0$ et le travail modifie l'énergie interne. En transformation isochore, la frontière ne bouge pas, le travail pression-volume est nul et $\\Delta U=Q$. Après un cycle complet, le système retrouve son état initial, donc $\\Delta U=0$ ; la chaleur nette reçue égale le travail net fourni.

Vérification rapide

Le premier principe applique la conservation de l'énergie à un système thermodynamique, mais il faut d'abord choisir le système et la convention de signe. Avec $\Delta U=Q+W_{on}$, une compression signifie $W_{on}>0$ ; si le gaz se détend et pousse un piston, le travail reçu par le système est négatif. Après un cycle complet, l'énergie interne retrouve sa valeur initiale, donc $\Delta U=0$, même si chaleur et travail ne sont pas nuls séparément. La chaleur nette reçue égale alors le travail net fourni par le système. En transformation isochore, le travail pression-volume est nul et la chaleur reçue modifie l'énergie interne. Le principe ne dit ni si un processus est spontané ni quel rendement il peut atteindre : cela relève du deuxième principe. Dans chaque calcul, notez le signe et l'unité de chaque terme énergétique et ne confondez pas le travail du gaz avec celui reçu par le gaz.

Par exemple, si un système reçoit 120 J de chaleur et se détend en fournissant 45 J de travail au milieu, alors $\Delta U=120-45=75$ J. Écrire $W_{on}=-45$ J donne le même résultat. Le signe confirme que la détente n'ajoute pas d'énergie par un travail reçu par le système.