Systèmes thermodynamiques et énergie interne

Thermodynamique et transferts d’énergie

🧠 Objectif de la leçon : Comprendre les bases des systèmes thermodynamiques et le concept d’énergie interne.

La thermodynamique est la science qui étudie les transformations d’énergie et les échanges thermiques. Pour bien l’aborder, nous devons d’abord maîtriser quelques définitions fondamentales.

📚 1. Les systèmes thermodynamiques

Un système thermodynamique est la portion de l’univers que nous choisissons d’étudier. Il peut être de différents types :

Système ouvert : Échange de la matière ET de l’énergie avec l’extérieur
Système fermé : Échange uniquement de l’énergie (pas de matière)
Système isolé : Aucun échange ni matière ni énergie

🔍 Exemple concret : Une casserole d’eau bouillante avec couvercle est un système fermé (énergie thermique échangée, mais pas de matière). Sans couvercle, c’est un système ouvert (vapeur d’eau s’échappe).

⚡ 2. L’énergie interne U

L’énergie interne U représente l’énergie totale contenue dans un système. Elle comprend :

L’énergie cinétique des molécules (mouvement)
L’énergie potentielle d’interaction entre molécules
L’énergie des liaisons chimiques

📈 Important : L’énergie interne est une fonction d’état, ce qui signifie qu’elle ne dépend que de l’état final et initial, pas du chemin suivi.

$\Delta U = U_{final} - U_{initial}$

🔥 3. Température et chaleur

La température mesure l’agitation thermique des particules. La chaleur Q est l’énergie transférée entre deux systèmes à températures différentes.

📊 Convention de signe :

Q > 0 : chaleur reçue par le système
Q < 0 : chaleur cédée par le système

$Q = m \times c \times \Delta T$

Où m est la masse, c la capacité thermique massique, et ΔT la variation de température.

💪 4. Travail des forces de pression W

Le travail W est l’énergie transférée par l’action de forces. Pour les forces de pression :

$W = -P \times \Delta V$

Où P est la pression et ΔV la variation de volume.

📊 Convention de signe :

W > 0 : travail reçu par le système
W < 0 : travail fourni par le système

🎯 5. Exemple résolu

Problème : On chauffe 2 kg d’eau de 20°C à 80°C. Calculer la chaleur nécessaire (c eau = 4180 J/kg/°C).

Solution :

ΔT = 80 – 20 = 60°C

Q = m × c × ΔT = 2 × 4180 × 60

Q = 501 600 J = 501,6 kJ

📝 Récapitulatif : Un système thermodynamique est défini par ses échanges. L’énergie interne U est sa réserve d’énergie. Chaleur Q et travail W sont les modes de transfert d’énergie.