Difficulté à comprendre le premier principe de la thermodynamique

[Ponnelu]

Bonjour,
je me présente, je suis étudiant, je viens de passer mon bac et vais intégrer une CPGE PCSI, je me prépare donc à l'entrée en prépa. En relisant mes cours, je viens de me rendre compte qu'un élément était floue dans mon esprit.
Il s'agit du premier principe de la Thermodynamique.
Il énonce : "Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé, la variation de son énergie est égale à la quantité d'énergie échangé avec le milieu extérieur, par transfert thermique (chaleur) et transfert mécanique (travail)".

Ce qui nous donne : ∆U = W + Q (ou tout du moins c'est comme ceci qu'il apparaît dans mon cours de terminale).
Avec ∆U étant la variation de l'énergie interne, Q le transfert thermique et W le travail.
Cette formule ne s'applique que pour un système au repos.

En me renseignant j'ai compris qu'il s'agit en réalité d'une formule abrégé.
La formule complète étant : ∆E(total) = ∆E(mécanique) + ∆U = W + Q.

Le problème est que je n'arrive pas à comprendre ce que représente le travail W.

L'énergie interne est l'énergie cinétique et potentielle que possède chaque particule son unité est le Joule.
Le transfert thermique est l'énergie acquise ou perdue lors d'un transfert de chaleur son unité est le Joule.
Le travail est l'énergie fournie par une force son unité est le Joule.

Et c'est là qu'est le problème :
Si ∆E(total) = ∆E(mécanique) + ∆U = W + Q
Et que, lorsque le système est au repos (donc ∆E(mécanique) = 0) alors ∆U = W + Q
Cela signifie que ∆E(mécanique) n'influence pas ∆E(total), car qu'ils soit nul ou non le calcul reste le même...

De plus : U est l'énergie interne, c'est à dire propre aux particules.
Mais le travail est l'énergie fournie par une force, donc il s'agit cinétique ou potentielle appliqué au système, et non aux particules du système.

Donc pour résumer je pense que le problème vient d'une incompréhension de ma part du travail et de ce qu'il représente.

Pourriez-vous alors, si possible, m'expliquer mon erreur pour que je puisse mieux comprendre cette partie du cours.

Cordialement Ponnelu.
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[Deedee81]

Salut,

Le problème est que je n'arrive pas à comprendre ce que représente le travail W.

Le travail mécanique par exemple, c'est-à-dire toute énergie échangée qui n'est pas thermique. Par exemple le mouvement d'un piston poussé par de la vapeur.

Même distinction : ∆E(mécanique) est l'énergie mécanique v.s. l'énergie interne (agitation thermique et potentiel chimique). Par, exemple une pièce tournante dans une machine.

Et quand on parle de "au repos" cela ne concerne évidemment pas l'agitation thermique. On considère (là c'est mon opinion mais ça me semble cohérent avec ce que tu présentes) que le mouvement du piston fait partie de l'échange (et donc du monde extérieur) et on néglige le mouvement cinétique de déplacement de la vapeur (par exemple).

Le W peut aussi être électrique ou autre. Mais en thermo c'est généralement mécanique.

[Sethy]

Pour essayer d'expliquer, je dirais que "non", la formule complète n'est pas :

∆E(total) = ∆E(mécanique) + ∆U = W + Q.

Pourquoi ? Parce que s'il y a une réaction chimique, il faut rajouter un terme :

∆E(total) = ∆E(mécanique) + ∆E(chimique) + ∆U = W + Q

Et ainsi de suite pour toutes les formes d'énergie. Alors seulement, on aurait la formule complète. Sauf que ... s'il n'y a pas de réaction chimique (comme dans un réfrigérateur, dans un climatiseur, dans une machine à vapeur, ...) alors ∆E(chimique) est évidemment nul et on peut choisir de l'omettre.

Mais si on se place dans le cas d'un moteur à explosion, alors on ne peut plus se passer de ce terme puisqu'il y a bien réaction chimique entre les vapeurs de gazole et l'oxygène de l'air qui a été admis pendant l'injection.

Tout comme ∆E(chimique) n'a rien à voir avec W ou Q, ∆E(mécanique) non plus.

∆E(mécanique) n'est pas lié au travail du piston par exemple, même si je comprends que cela prête à confusion puisqu'on pourrait se dire que ∆E(mécanique) représente l'énergie que le travail du piston procure au véhicule. Non. L'énergie qui sert à propulser le véhicule, c'est le travail W.

∆E(mécanique), c'est autre chose, comme ∆E(chimique). On pourrait par exemple imaginer qu'en plus du gaz sous pression (dont l'énergie interne est donné par ∆U), il y ait, à l'intérieur du piston, un ressort qui fourni une quantité d'énergie supplémentaire au système (∆E(mécanique)).

[Deedee81]

Merci Sethy, j'avais implicitement inclut tout ce qui est non thermique dans ∆E(mécanique) mais faire ça prête à confusion.

[A voir en vidéo sur Futura]

[gts2]

Bonjour,

∆E(chimique) n'est pas compris dans ∆U ?

[Sethy]

Bonjour,

∆E(chimique) n'est pas compris dans ∆U ?

Sur ce plan, tu es plus qualifié que moi pour répondre.

Je pense que la confusion chez l'OP venait du terme Energie mécanique (avec le travail fourni/reçu du monde extérieur) et en plus de l'usage malheureux du terme "repos".

J'ai essayé de mettre ça en évidence en utilisant une autre forme d'énergie, chimique cette fois.

[Ponnelu]

Je vous remercie pour avoir pris le temps de répondre.
Je crois avoir compris.

En réalité, le travail W et le transfert thermique Q ne sont pas des composantes de l'énergie interne U ou de l'énergie mécanique E(mécanique).
c'est le même principe que la seconde loi de Newton : ΣF = m×a
Aucune force n'est égale à la masse ou à l'accélération, c'est leur somme qui est égale à ça.

De la même manière c'est la somme des énergies qui est égale au transfert thermique + le travail.

Je me pose alors une dernière question, auriez vous un exemple de travail qui rentrerait dans ce cas de figure ?

[curiossss]

Je me pose alors une dernière question, auriez vous un exemple de travail qui rentrerait dans ce cas de figure ?

Un balon d'air qui gonfle parce qu'on chauffe l'air à l'intérieur :
Le ballon chaud va radier de l'énergie thermique.

Mais du fait de son gonflement les chocs des molécules d'air de l'intérieur du ballon sur sa paroi vont la pousser vers l'extérieur avec une petite vitesse deltaV.
Donc les chocs que vont subir les molécules d'air à l'extérieur du ballon vont se faire avec : (deltaV de la part du ballon) + (vitesse des molécules d'air de l'extérieur du ballon) : l'énergie cinétique transmise par le ballon aux molécules d'air extérieur est un travail résultant d'une force multipliée par la durée du choc. Le ballon repousse les molécules extérieures et augmente (légèrement) la vitesse de celles qui se cognent contre sa paroi (elles arrivent avec une vitesse et repartent avec une vitesse légèrement supérieure).

Donc il y a aussi une partie de l'énergie du ballon qui est transmise sous forme de travail.