Energie interne

Définition microscopique

Les particules constituant la matière possèdent une énergie cinétique. Ces particules sont, par ailleurs, soumises à des forces électriques engendrant une énergie potentielle d’interaction. L’énergie interne U d’un système thermodynamique rend compte de phénomènes ayant lieu à l’échelle microscopique :

$$U=E_{(c,micro)}+E_{(p,micro)}$$

1er Principe

Pour les systèmes fermés subissant une transformation thermodynamique, on définit un principe de conservation de l’énergie, que l’on appelle « premier principe de la thermodynamique ». Celui-ci relie la variation d’énergie $\Delta E=E_{final}-E_{initial}$ du système, le travail W et l’énergie échangée Q par transfert thermique par le système : $\Delta E=W+Q$.

S’il n’y a ni variation d’énergie cinétique macroscopique ni variation d’énergie potentielle extérieure, le premier principe stipule que la variation d’énergie interne ΔU est égale à :

$$\Delta U=W+Q$$

Transfert Thermique

Les échanges d’énergie entre un système fermé et l’extérieur peuvent être de différentes nature, comme des transferts d’énergie électrique, mécanique, thermique, chimique, etc. Les transferts d’énergie mécanique prennent la forme de travail W et n’ont lieu que si le système est déformable (ou compressible). Ils résultent d’une action mécanique macroscopique exercée sur le système. Les transferts thermiques résultent de transferts d’énergie à l’échelle microscopique, de manière totalement désordonnée.

Tout comme le travail W, l’énergie échangée Q est une grandeur algébrique qui est :

• positive lorsque le système reçoit effectivement de l’énergie ;
• négative lorsque le système cède effectivement de l’énergie.

Le signe de Q permet de prévoir le sens du transfert thermique, qui spontanément s’effectue du corps qui a la température la plus élevée vers celui qui a la température la moins élevée.

L’équilibre thermique entre deux corps est atteint lorsque ces deux corps atteignent la même température. Il n’y a donc plus de transfert thermique entre ces deux corps.

Capacité thermique

Soit un système incompressible, non soumis à un changement d’état et n’étant pas le siège de réactions chimiques ou nucléaires. Lorsque la température de ce corps varie d’une valeur initiale $T_i$ à une valeur finale $T_f$, la variation de son énergie interne est :

$$\Delta U=m\times c\times (T_f-T_i)=m\times c\times \Delta T$$

• ΔU : Variation d’énergie interne en $J$
• m : Masse du corps en $kg$
• ΔT : Variation de température en $K$
• c : Capacité thermique massique en $J.k{g}^{-1}.K^{-1}$

La capacité thermique massique est la quantité d’énergie nécessaire pour augmenter la température d’une masse d’un kilogramme d’un degré (K ou °C).

Remarque

On peut définir la capacité thermique C d’un système telle que $\Delta U=C\times \Delta T$. Elle s’exprime en $J.K^{-1}$.