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Première loi de la thermodynamique

1850
  • Julius Robert von Mayer
  • James Prescott Joule
  • Hermann von Helmholtz
  • Rudolf Clausius
Expérience de laboratoire démontrant la première loi de la thermodynamique à l'aide d'un moteur thermique.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

The First Law is a statement of the la conservation de l'énergie. It posits that the change in a closed system’s internal energy ([latex]\Delta U[/latex]) is equal to the heat supplied to the system ([latex]Q[/latex]) minus the work done by the system on its surroundings ([latex]W[/latex]). The governing equation is [latex]\Delta U = Q – W[/latex]. This law links heat, work, and internal energy, establishing heat as a form of energy transfer.

The First Law of Thermodynamics generalized the principle of la conservation de l'énergie, which was previously known in mechanics, to include heat. Its formulation was a major step in physics, as it definitively refuted the prevailing caloric theory, which considered heat a weightless fluid. Experiments by James Joule in the 1840s, which demonstrated the mechanical equivalent of heat, were crucial in establishing that heat and work are mutually convertible.

The law introduces internal energy ([latex]U[/latex]) as a state function, meaning its value depends only on the current state of the system, not on how it got there. In contrast, heat ([latex]Q[/latex]) and work ([latex]W[/latex]) are path-dependent process quantities. The law’s differential form is [latex]dU = \delta Q – \delta W[/latex]. For a cyclic process, where the system returns to its initial state, the change in internal energy is zero ([latex]\Delta U = 0[/latex]), so the net heat supplied equals the net work done. This principle is the basis for all heat engines. The law also implies the impossibility of a perpetual motion machine of the first kind—a machine that produces work without any energy input.

UNESCO Nomenclature: 2212
Thermodynamique, physique statistique et matière condensée

Taper

Système abstrait

Perturbation

Révolutionnaire

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Sadi Carnot’s analysis of heat engines and thermodynamique cycles
  • James Joule’s experiments on the mechanical equivalent of heat
  • rejet de la théorie calorique de la chaleur
  • principe de conservation de l'énergie en mécanique tel que formulé par Leibniz et d'autres

Applications

  • moteurs thermiques (à combustion interne, turbines à vapeur)
  • réfrigérateurs, climatiseurs et pompes à chaleur
  • analyse des réactions chimiques (calculs d'enthalpie)
  • conception et analyse de l'efficacité des centrales électriques
  • calorimétrie nutritionnelle pour calculer l'énergie alimentaire (calories)

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • générateurs thermoélectriques récupérant la chaleur résiduelle des gaz d'échappement des véhicules
  • moteurs thermiques à micro-échelle alimentés par des processus métaboliques cellulaires pour nanorobots
  • systèmes d'énergie géothermique avancés avec cycles énergétiques en boucle fermée pour alimenter les villes
  • récupérateurs d'eau atmosphériques alimentés à l'énergie solaire utilisant des cycles thermodynamiques
  • vêtements de refroidissement et de chauffage personnels basés sur des micro-pompes à chaleur efficaces
  • systèmes de récupération d'énergie cinétique dans les véhicules électriques avec stockage thermique intégré
  • cryogénique energy storage systems using liquid air as an energy vector
  • osmotic power generation plants at river estuaries, optimized by first-law principles
  • convertisseurs thermiques-électriques directs pour sondes spatiales lointaines utilisant la chaleur de désintégration radioactive
  • bioréacteurs qui optimisent la croissance microbienne en gérant avec précision la chaleur et le travail
Related to: first law, conservation of energy, internal energy, heat, work, thermodynamics, enthalpy, closed system, state function, perpetual motion.

Contexte historique

Première loi de la thermodynamique

1842
1847
1850
1850
1850
1850
1850
1841
1845
1850
1850
1850
1850
1850
1851

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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