Effectuer des bilans d’énergie sur un système : le premier principe de la thermodynamique

Après la lecture de cet article, tu effectueras merveilleusement bien des bilans d’énergie d’un système (U) et le principe de la thermodynamique n’aura plus de secrets pour toi. Tu deviendras un pro de la physique !

L’énergie interne d’un système (que l’on note U) correspond à l’énergie due aux interactions à l’échelle microscopique, c’est à dire les chocs entre molécules ou sur la paroi par exemple.

Par exemple, lorsque la température d’un corps augmentent, les particules s’agitent et l’énergie cinétique microscopique augmente donc. Dans ce cas l’énergie interne du corps augmente.

Qu’est-ce que le travail en thermodynamique en physique ?

Le travail, en physique, noté W désigne un type de transfert d’énergie entre plusieurs systèmes. Celui-ci peut être revue par le système ou bien fournie par celui-ci. En thermodynamique, on va souvent étudier le travail des forces de pression. Dans ce cas, lors d’une détente le travail est fournis par le système et lors d’une compression le travail est reçus par le système.

Qu’est-ce qu’un transfert thermique en physique ?

Un transfert thermique, en physique, noté Q est le reflet d’un changement de température c’est à dire de l’agitation des particules constituant le système. Lorsque un sytème reçoit un transfert thermique c’est à dire que l’on reçoit de la chaleur alors il y a augmentation de la température et inversement dans le cas où un système fournis un transfert thermique.

De manière général, lorsque deux corps sont en contact, le transfert thermique va avoir lieu du corps le plus chaud vers le plus froid.

Les trois types de transfert thermique en physique : convection, conduction et rayonnement

Convection : c’est le mouvement d’un fluide (liquide ou gaz) qui va provoquer le déplacement de l’énergie thermique est par conséquent le transfert thermique.

Exemple: un radiateur chauffe l’air qui se situe à coté du radiateur mais on a chaud dans toute la pièce car l’air s’est déplacé et ce n’est pas le même air qui est chauffé à chaque instant.

Conduction : dans un milieu matériel, du métal par exemple l’énergie thermique va se déplacer de proche en proche. La rapidité et les pertes énergétiques dépendent du matériau.

Exemple : si tu chauffes une barre de fer à une extrémité et que tu la tiens à l’autre extrémités tu vas avoir mal car l’énergie thermique va se déplacer dans le métal.

Rayonnement : une source émet des radiations qui vont transporter de l’énergie thermique.

Exemple : le soleil va grâce à ses rayons chauffer la Terre.

Ces deux grandeurs en physique ( le travail et les transferts thermiques ) sont des énergies et s’expriment donc en Joules (J). Par convention, on compte positivement un travail ou un transfert thermique reçus par le système étudié et négativement si l’énergie est fournis par le système. Il est alors très important d’indiquer très précisément quel système est étudié au début d’un exercice.

Par exemple, dans le cas d’un glaçon dans un verre d’eau. Si l’on choisis d’étudier le système ” eau “, alors l’eau va être refroidis par le glaçon et donc fournir un transfert thermique au glaçon. On va alors compter le transfert thermique entre l’eau et glaçon comme négatif. Cependant si l’on avait choisi d’étudier le glaçon, alors celui-ci aurait reçu de l’énergie donc le transfert thermique aurait été positif. Si l’on veut bien se faire comprendre par l’examinateur (et donc avoir une bonne note) il est donc impératif d’indiquer le système étudié ! Cela va même t’aider à ne pas t’embrouiller lorsque tu devras étudier des systèmes compliqués.

L’une des lois les plus importantes  en thermodynamique est le premier principe de la thermodynamique : ΔU=Q+W

La thermodynamique est une notion phare de la physique !

ΔU est la variation d’énergie interne du sytème en J

Q est la somme des transferts thermiques échangées par le système en comptant positivement les transferts thermiques reçus et négativement ceux fournis par le système

W est la somme des travails reçus par le système.

Cela signifie notamment que si l’énergie interne d’un système ne varie pas, le travail reçu et les transferts thermiques vont se compenser.

Pour un système, on peut introduire une capacité thermique C correspondant à la quantité d’énergie en J nécessaire pour faire augmenter la température du système de 1°C ou 1K.

Pour une phase indatable est incompressible on a la formule ΔU=CΔT

ΔU est la variation d’énergie interne du sytème en J

C la capacité thermique du système en J/K

ΔT la variation de température en K ou en °C

NB: Pour les variations de température, prendre les températures en K ou en °C est équivalent.

Cette relation est très utile car elle permet en connaissant la température initiale et finale du système ainsi que sa capacité thermique de déduire la variation d’énergie interne.

Ce résultat pouvant alors être utilisé pour déduire du premier principe le travail ou encore le transfert thermique.

Lorsque l’on place un glaçon dans un verre d’eau, le glaçon va se réchauffer et l’eau va se refroidir jusqu’à la fonte complète du glaçon qui sera alors à la même température que l’eau. Il va y avoir un transfert thermique entre les deux systèmes mais on voit bien que celui-ci n’est pas instantané.

On va alors définir le flux thermique qui va permettre de prendre en compte la vitesse de la réaction.

Il est égale au quotient du transfert thermique en J par la durée du transfert thermique en s, on le note par la lettre grecque Φ (phi)

Φ = Q/Δt

Le flux thermique est homogène à une puissance et s’exprime donc en Watt (W)

De plus, l’énergie thermique va être plus ou moins bien transmise en fonction du matériau et de son épaisseur.

On introduit alors la résistance thermique qui va caractériser un corps que la chaleur va traverser, elle va dépendre du flux thermique et de la différence de température entre les deux parois de la surface à traverser.

Rth=ΔT/Φ

ΔT étant la différence de température entre les deux parois du matériau en °C ou K

Φ le flux thermique en W

Rth la résistance thermique en K/W

La résistance thermique va dépendre du matériau et on va ainsi pouvoir privilégier un matériau plutôt qu’un autre en fonction de celle-ci.

Par exemple, lors de la construction d’une maison on veut que les murs soient isolants et qu’ils ne laissent pas passer la chaleur de l’intérieur vers l’extérieur (pour ne pas consommer trop en chauffage). Les murs vont donc être choisis de la sorte à maximiser la résistance thermique.

Qu’est-ce qu’un bilan d’énergie  ?

De manière générale, faire un bilan d’énergie revient à répertorier tous les apports et toutes les pertes d’énergies d’un système.

Si l’on se place dans un état d’équilibre, c’est à dire dans un régime permanent où la situation ne varie plus, les apports doivent venir compenser les pertes. Ainsi la variation d’énergie totale est nulle. Par exemple, lors du chauffage d’une maison on veut maintenir une température constante. Le chauffage vient seulement apporter l’énergie nécessaire pour compenser les pertes causées par l’isolation thermique imparfaite de la maison.

Exemple : expliquer l’effet de serre avec un bilan d’énergie

Considérons le système ” terre + atmosphère “.

Ce système va recevoir de l’énergie thermique sous forme de rayonnement. L’énergie qui va atteindre la Terre va être absorbé dans un premier temps : la planète reçoit un transfert thermique. Ce qu’elle a absorbé va ensuite être renvoyé dans l’espace sous forme de rayonnement infrarouge : la planète fournit un transfert thermique. En temps normal, ces deux transferts thermiques sont égaux et vont ainsi s’annuler pour donner un bilan énergétique nul et donc une température terrestre constante.

Cependant, les activités humaines vont produire des gaz à effets de serre qui vont avoir pour effet de renvoyer une partie des rayonnements infrarouges vers la planète. Ainsi, une partie de l’énergie thermique va être conservée par la planète car le transfert thermique de la planète vers l’espace va être plus faible que celui du soleil vers l’espace. Le bilan énergétique est positif : la Terre a gagné de l’énergie thermique, d’où le réchauffement global.

Tu es maintenant un véritable pro de la physique !

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