Thermodynamique : 1er Principe et Bilans

Imagine une casserole d'eau immobile sur une table. À l'échelle macroscopique, elle n'a pas de vitesse. Pourtant, si tu la chauffes, son état change. C'est ce que nous allons étudier : l'énergie stockée au cœur de la matière.

À l'échelle microscopique, les particules (atomes, molécules) ne sont jamais immobiles. L'énergie interne, notée $U$ (en Joules), est la somme de l'énergie cinétique microscopique (agitation thermique) et de l'énergie potentielle microscopique (interactions entre particules).

Le premier principe est un bilan comptable. L'énergie interne $U$ d'un système ne varie que s'il échange de l'énergie avec l'extérieur. Ces échanges se font sous deux formes : le Travail ($W$) et le Transfert Thermique ($Q$).

Pour les systèmes incompressibles (solides et liquides) ou les gaz parfaits, l'énergie interne ne dépend que de la température $T$. C'est une propriété fondamentale à connaître.

Ici, '$m$' est la masse (kg), '$c$' la capacité thermique massique ($\text{J}\cdot {\text{kg}}^{-1}\cdot {\text{K}}^{-1}$) et $\Delta T$ la variation de température ($T_{finale}-T_{initiale}$).

Le transfert thermique $Q$ (souvent appelé chaleur) se déplace spontanément du corps chaud vers le corps froid selon trois modes.

La conduction se fait sans déplacement de matière (à travers une paroi). La convection implique un mouvement de fluide (air ou eau qui circule). Le rayonnement (infrarouge, visible) se propage même dans le vide.

Le flux thermique $\Phi$ (en Watts) représente la vitesse du transfert d'énergie : c'est la quantité de joules échangée par seconde ($\Phi =\frac{Q}{\text{dureˊe}}$).

Pour prévoir comment la température d'un système évolue au cours du temps, on combine le premier principe ($\Delta U$) et la loi du flux thermique.

Sur une petite durée, l'énergie varie de $\Delta U=\Phi \times \text{dureˊe}$. Comme $\Delta U$ dépend de la température ($m\cdot c\cdot \Delta T$) et que le Flux dépend aussi de la température, on obtient une équation différentielle.