Physique thermique

Énergie interne et sa variation

L'énergie interne est l'énergie microscopique d'un système ; elle varie par transfert thermique ou par travail effectué sur le système.

Un gaz peut se réchauffer en recevant de la chaleur ou en étant comprimé. Les mécanismes de transfert diffèrent, mais tous deux peuvent modifier son énergie microscopique.

\Delta U = Q + W_{\text{on}}

Définition: Énergie interne

L'énergie interne $U$ comprend les énergies cinétiques microscopiques et les énergies potentielles d'interaction des constituants. Pour un gaz parfait monoatomique, elle dépend seulement de la température : $U=\frac32nRT$ . Convention adoptée : $Q>0$ si le système reçoit de la chaleur et $W_{on}>0$ si le milieu effectue un travail sur lui.

Réglez la chaleur reçue et le travail de compression pour observer la variation de l'énergie interne selon la convention de signe indiquée.

Chaleur et travail transfèrent de l'énergie

La chaleur $Q$ et le travail $W$ ne sont pas des énergies stockées dans l'état du système ; ils décrivent l'énergie qui franchit sa frontière pendant une transformation. L'énergie interne $U$ est une fonction d'état, donc $\\Delta U$ ne dépend que des états initial et final.

Exemple: Compression adiabatique

Un gaz est comprimé adiabatiquement ; le milieu effectue un travail de $300$ J sur lui. Calculez la variation d'énergie interne.

Solution

En régime adiabatique, $Q=0$ . Ainsi $\Delta U=Q+W_{on}=+300$ J.

Vérification rapide

L'énergie interne est l'énergie microscopique d'un système : elle comprend l'agitation thermique et les interactions entre particules, mais pas le mouvement global du corps. Agiter de l'eau peut donc accroître son énergie interne sans transfert thermique à travers la paroi ; placer un objet chaud près d'un objet froid la modifie par transfert de chaleur. Pour un gaz parfait monoatomique, elle ne dépend que de la température et $U= rac32nRT$ ; ce résultat de modèle ne vaut pas pour toute substance. L'énergie interne est une fonction d'état : sa variation dépend seulement des états initial et final, pas du chemin suivi. À l'inverse, chaleur et travail décrivent des modes de transfert d'énergie à travers la frontière du système pendant une transformation ; ce ne sont pas des quantités stockées dans l'objet. En calcul, définissez le système et distinguez la chaleur reçue du travail exercé sur lui par le milieu.

Si un gaz reçoit 200 J de chaleur et si le milieu lui fournit 50 J de travail, son énergie interne augmente de 250 J selon la convention $\Delta U=Q+W_{on}$ . Un autre chemin entre les mêmes états initial et final peut impliquer chaleur et travail différents, mais la variation d'énergie interne reste identique.

Avec $\Delta U=Q+W_{on}$ , un gaz reçoit $80$ J de chaleur et subit $20$ J de travail. Quelle est $\Delta U$ ?

Quelle est la nature de l'énergie interne ?

Références

Charles Kittel, Herbert Kroemer (1980). Thermal Physics