Physique · Thermodynamique

Le premier principe et les bilans d'énergie

L'énergie ne se crée pas et ne se perd pas : elle change de forme ou de place. Appliqué à un système, ce principe devient un livre de comptes à une seule ligne : ΔU = W + Q.

Un système fermé possède une énergie interne U, cachée dans le mouvement et les liaisons de ses molécules. Elle ne peut changer que si de l'énergie franchit sa frontière, de deux façons : le travail W, lié à un déplacement ou à un courant électrique, et la chaleur Q, due à une différence de température.

ΔU = W + Q

W et Q sont comptés positivement quand ils entrent dans le système.

Comme un compte en banque : le solde U change selon les virements. W et Q sont deux façons de verser ou de retirer, et une fois l'énergie entrée, plus rien ne distingue son origine.
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Où passe l'énergie d'une masse qui tombe ?

Au XIXᵉ siècle, James Joule fait tomber des masses qui entraînent des palettes dans de l'eau. L'énergie de position disparaît, et l'eau se réchauffe un peu : la chaleur et le travail mesurent donc la même chose. Refaites l'expérience, en comptant chaque joule.

La masse descend à vitesse presque constante, freinée par les palettes. Le calorimètre est supposé parfaitement isolé.
Une colonne par forme d'énergie. La somme reste égale à l'énergie de départ à chaque instant.
Nombre de chutes
Énergie de position perdue
Gain d'énergie interne de l'eau
Énergie cinétique actuelle + perdue au sol
Contrôle : somme des énergies − énergie de départ
Échauffement de l'eau, mesuré / ΔU/(m·c)
Pourquoi l'expérience est si difficile. Une chute de 12 kg sur 2 m apporte environ 235 J : un litre d'eau gagne alors à peine 0,06 °C. Joule a dû répéter les chutes et mesurer de tout petits écarts. En 1850, il annonce 772 pieds-livres pour chauffer une livre d'eau de 1 °F. Converti, cela donne J/cal, contre 4,186 J/cal aujourd'hui. L'énergie perdue au sol montre aussi qu'un bilan juste doit tout compter, même le petit choc final.
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Qu'est-ce que l'énergie interne ?

U rassemble tout ce qui se passe à l'intérieur, à l'échelle des molécules : leur agitation, leurs rotations et vibrations, et l'énergie de leurs attractions. Le mouvement d'ensemble et l'altitude de l'objet n'en font pas partie.

Une boîte de gaz roule à vitesse constante. Toutes les molécules portent en plus cette même vitesse, mais le gaz n'est pas plus chaud pour autant : c'est une énergie ordonnée. Quand la boîte heurte le butoir, les molécules continuent sur leur lancée, rebondissent et se heurtent. Aucune énergie n'entre ni ne sort du gaz : elle change seulement de forme.

120 disques durs, en unités réduites (k = 1, m = 1). Flèche : vitesse moyenne des molécules.
Par molécule : énergie d'ensemble (orange), énergie interne (bleu) et total (vert).
Énergie d'ensemble par molécule
Énergie interne par molécule (= T à 2 dimensions)
Dérive de l'énergie totale du gaz
Température : moyenne finale / prévue E·(1 − 1/N), avec E ≈ T₀ + V²/2
Une balle de fusil n'est pas chaude à cause de sa vitesse. Tant que la boîte roule, la température reste celle de départ, quelle que soit la vitesse. C'est l'arrêt qui change tout : l'ordre se transforme en agitation. Pour un observateur qui voyage avec la boîte, il n'y a rien de plus à voir : U est bien la part de l'énergie qui ne dépend pas du mouvement de l'ensemble.

Pour un gaz parfait, U ne dépend que de T. Sa pente est la capacité thermique à volume constant CV. Un atome ne peut que se déplacer, et CV vaut 3/2·R. Une molécule peut aussi tourner, puis vibrer quand il fait assez chaud : CV augmente.

CV/R de gaz parfaits, d'après les équations de référence. Pointillés : 3/2 (translation) et 5/2 (translation et rotation). L'aire colorée, multipliée par R, donne ΔU.
ΔU de 1 mol, par l'aire sous CV
ΔU avec CV constant, valeur à 300 K
Erreur de l'approximation CV constant
CV/R à la température de départ / d'arrivée
À retenir. ΔU = n·CV·ΔT n'est exact que pour CV constant : très bon pour un gaz monoatomique, correct sur un intervalle modéré pour les autres. Ces montées ne s'expliquent pas par la physique classique : c'est un effet quantique, car une vibration ne s'active que si kT atteint son énergie. Cela rappelle aussi que l'on ne calcule jamais U lui-même en pratique, seulement ses variations.

Joule ouvre un robinet entre un ballon de gaz et un ballon vide, le tout dans un calorimètre. Le gaz ne pousse rien : W = 0. Il n'a pas le temps d'échanger de chaleur : Q = 0. Donc ΔU = 0, avec certitude. Mais la température change-t-elle ?

Le volume double. Les valeurs réelles viennent des équations d'état de référence, à U constant.
Pression de départ
W, Q, ΔU
T finale du gaz parfait
T finale réelle
T finale selon Van der Waals, avec CV à 300 K
Ce test sépare le modèle du réel. Pour un gaz parfait, U ne dépend que de T, donc ΔU = 0 impose ΔT = 0 : c'est ce que Joule pensait observer. Pour un gaz réel, les molécules qui s'éloignent gagnent de l'énergie potentielle, prise sur leur agitation : la température baisse, alors que U n'a pas bougé. L'hélium fait exception à 300 K : ses répulsions dominent et il se réchauffe légèrement. Van der Waals se trompe ici de signe, alors qu'il tombe très juste pour le diazote.
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Pourquoi tant d'erreurs de signe ?

Un signe n'a de sens qu'une fois le système désigné. La règle des physiciens est celle d'un compte en banque : ce qui entre dans le système est positif, ce qui en sort est négatif. Choisissez le système et la convention : le phénomène reste le même, seuls les nombres écrits changent.

Flèche violette : travail. Flèche orange : chaleur. L'épaisseur suit la quantité échangée. Le sens physique ne dépend d'aucune convention. Les points montrent le trajet de l'énergie.
W
Q reçue par le système
ΔU du système
Équation à écrire
Contrôle : ΔU(gaz) + ΔU(extérieur)
Trois réflexes. Dessiner la frontière avant d'écrire un signe. Se demander si l'énergie entre ou sort de ce système. Vérifier quelle convention utilise le livre : les ouvrages de machines thermiques écrivent souvent ΔU = Q − W, où W est le travail fourni par le système. Les résultats physiques sont identiques. Et pour l'univers entier, gaz plus extérieur, rien n'entre ni ne sort : ΔU total = 0, c'est la conservation.

Situation
Bonnes réponses
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Comment calculer ΔU ?

La méthode tient en quatre étapes : désigner le système, lister les échanges avec leur signe, additionner, puis traduire en température si le système est un gaz parfait : ΔT = ΔU/(n·CV).

Choisissez la grandeur à déduire et réglez les autres. Le graphique se lit comme un relevé de compte : on part de U₁, et chaque échange fait monter ou descendre le solde.

Calcul écrit
ΔT = ΔU/(n·CV)
Température finale
Contrôle : W + Q − ΔU
Ce que dit le bilan
Le premier principe ne dit pas tout. Il donne une somme, pas la répartition : un même ΔU peut correspondre à une infinité de couples (W, Q). Pour trouver W et Q séparément, il faut connaître le chemin. Attention aussi : un gaz peut recevoir de la chaleur sans que T monte, si tout repart en travail. Chaleur reçue et hausse de température sont deux choses différentes.

Quatre manières de porter 1 mol de diazote de 300 K à la même température finale, au même volume. Le gaz arrive dans le même état : impossible de dire ensuite laquelle a été utilisée.

Le chemin 4 comprime à 300 K, chauffe à volume fixe, puis détend à la température finale.
Fonction d'état ou d'échange. La dernière colonne est la même partout : U est une fonction d'état. W et Q changent d'une ligne à l'autre : ils décrivent un trajet. On ne dit donc jamais « le gaz contient tant de chaleur ». La ligne 3 montre aussi que le classement dépend de la frontière : une résistance placée dans le système apporte du travail électrique ; placée dehors, elle apporterait de la chaleur.

Réussis / essayés
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Le bilan tient-il vraiment, à toutes les échelles ?

De la molécule à la voiture, on écrit le même bilan. La forme complète inclut aussi l'énergie mécanique de l'objet : ΔU + ΔEc + ΔEp = W + Q.

Voici 120 disques durs. Enchaînez les opérations dans l'ordre de votre choix : chaque rebond sur le piston alimente W, chaque rebond sur la paroi thermique alimente Q. Personne n'a programmé ΔU = W + Q : on additionne des chocs, et le bilan se referme à chaque instant.

Paroi de gauche : contact thermique, orange si elle est active. Paroi de droite : piston. Couleur du fond : température du gaz.
W cumulé (piston)
Q cumulée (paroi)
ΔU depuis le départ
Contrôle : ΔU − W − Q
Température du gaz
Chocs : piston / paroi thermique
Le principe vu de près. Un rebond sur un piston qui avance accélère la molécule : c'est le travail. Un rebond sur une paroi thermique redonne à la molécule une vitesse tirée au hasard, en moyenne plus grande si la paroi est chaude : c'est la chaleur. Dans les deux cas, il n'y a qu'un échange d'énergie cinétique à la frontière. La différence entre W et Q ne porte que sur la manière : ordonnée pour l'un, désordonnée pour l'autre.

Système : l'eau. La résistance apporte P watts, et les parois en perdent proportionnellement à l'écart de température avec la pièce. Le bilan devient alors une équation différentielle : m·c·dT/dt = P − G·(T − Tair).

Le temps simulé est accéléré. Le calcul s'arrête à 100 °C : l'évaporation demanderait un autre terme.
Bleu : calcul pas à pas. Pointillés verts : formule exacte. Gris : sans aucune perte.
Température actuelle
Énergie électrique reçue (W)
Chaleur perdue (Q)
ΔU = m·c·ΔT
Contrôle : ΔU − W − Q
Temps jusqu'à 100 °C : calcul / formule / sans perte
Un bilan peut interdire un résultat. L'eau ne dépasse jamais Tair + P/G, la température où les pertes égalent la puissance. Avec une petite résistance et beaucoup de pertes, elle n'atteint jamais 100 °C, même au bout d'une heure : essayez 200 W avec G = 10 W/K. La masse d'eau change le temps nécessaire, mais pas cette limite.

Quand l'objet ralentit ou descend, son énergie mécanique devient de l'énergie interne, sans travail ni chaleur venus de l'extérieur du système complet. Les trois exemples ci-dessous négligent les échanges avec l'air pendant le phénomène, ce qui donne une limite haute de l'échauffement.

Énergie mécanique perdue
ΔU reçue par
Échauffement
Énergie reçue par kilogramme de ce qui chauffe
Remarque
Un même calcul, trois ordres de grandeur. Une chute d'eau de 100 m ne gagne que 0,23 °C. Un arrêt depuis 130 km/h apporte près de 1 MJ, soit environ 66 °C en moyenne dans quatre disques de 8 kg ; en réalité, les freins avant en reçoivent la plus grande part et la chaleur reste d'abord près de la surface, d'où des températures locales bien plus hautes. Une balle de plomb à 300 m/s atteindrait son point de fusion si toute l'énergie restait dans le plomb. Pour l'eau et la balle, la masse se simplifie : seule compte l'énergie par kilogramme.

Quelques repères

La conservation

L'énergie change de forme ou de place, mais son total ne varie pas. Pour un système isolé, ΔU = 0.

L'état et le trajet

U est une fonction d'état. W et Q décrivent un échange : ils dépendent du chemin, leur somme non.

Le calcul

Système, frontière, signes : ce qui entre est positif. ΔU = W + Q, puis ΔT = ΔU/(n·CV) pour un gaz parfait.

Pour aller plus loin

La forme différentielle. On écrit dU = δW + δQ. Le d droit indique la différentielle d'une fonction d'état ; le δ rappelle que W et Q ne sont que de petites quantités échangées, dont la somme sur un trajet dépend du trajet.

Les systèmes ouverts. Si de la matière franchit la frontière, elle apporte son énergie, ainsi que le travail nécessaire pour la faire entrer : on utilise alors l'enthalpie H = U + P·V. C'est l'outil adapté aux turbines et aux compresseurs.

Et E = mc² ? L'énergie interne contient en principe l'énergie de masse. Comme un bilan ne porte que sur des variations, cette grande constante disparaît des calculs ordinaires. Dans une réaction nucléaire, en revanche, elle devient le terme principal.

Ce que le premier principe n'interdit pas. Un bloc froid qui céderait spontanément de la chaleur à un bloc chaud respecterait la conservation de l'énergie. C'est le second principe qui l'exclut.

Les simulations. Les boîtes de disques durs sont à deux dimensions, où l'énergie moyenne vaut k·T par molécule, et non 3/2·k·T ; leur petite taille les rend bruitées, sauf les bilans, qui se referment au calcul près. Le facteur (1 − 1/N) de la boîte arrêtée vient d'un effet de petite taille : même à l'équilibre, le centre de masse du gaz garde une petite agitation, d'énergie moyenne T/N par molécule, qui n'est pas comptée dans U. E est l'énergie par molécule mesurée juste après le choc : elle diffère un peu de T₀ + V²/2, car le gaz oscille légèrement dans la boîte pendant qu'elle roule. Les masses de la planche 1 suivent une loi de frottement proportionnelle à la vitesse, ce qui simplifie le vrai frottement des palettes.

Les données. Les capacités thermiques et les températures de la détente de Joule viennent de CoolProp 8.0.0, inscrites dans la page sous forme de tableaux. Les capacités thermiques des solides et de l'eau sont des valeurs courantes, supposées constantes.

Dans la même série, la page Transformations, chaleur et travail calcule W et Q le long de chaque transformation, et la page Systèmes et états thermodynamiques détaille la notion de système et de fonction d'état.