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Première loi de la thermodynamique

1850

Julius Robert von Mayer
James Prescott Joule
Hermann von Helmholtz
Rudolf Clausius

(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.

La première loi de la thermodynamique généralisa le principe de conservation de l'énergie, déjà connu en mécanique, à la chaleur. Sa formulation marqua une avancée majeure en physique, car elle réfuta définitivement la théorie calorique dominante, qui considérait la chaleur comme un fluide sans poids. Les expériences de James Joule dans les années 1840, qui démontrèrent l'équivalent mécanique de la chaleur, furent cruciales pour établir la conversion mutuelle de la chaleur et du travail.

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.

Développement de produits en boucle fermée, Énergie, Enthalpie, Traitement thermique, Génie mécanique, Optimisation des processus, Gestion de la qualité, Thermodynamique

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 thermodynamic 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:

Idées d'innovations potentielles

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Related to: first law, conservation of energy, internal energy, heat, work, thermodynamics, enthalpy, closed system, state function, perpetual motion.

Contexte historique

Laboratoire du XIXe siècle avec des instruments de thermodynamique et les équations de la relation de Mayer.

Relation de Mayer (thermodynamique)

La relation de Mayer relie les chaleurs spécifiques d'un gaz parfait à la constante spécifique des gaz ([latex]R_s[/latex]). La relation est la suivante : [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Pour les chaleurs spécifiques molaires ([latex]C_p[/latex] et [latex]C_v[/latex]), la relation est [latex]C_p - C_v = R[/latex], où [latex]R[/latex] est la constante universelle des gaz. Cela montre que [latex]c_p[/latex] est toujours supérieur à [latex]c_v[/latex].

Conservation de l'énergie

Principe fondamental selon lequel l'énergie totale d'un système isolé reste constante dans le temps. L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée d'une forme à une autre, par exemple de l'énergie potentielle à l'énergie cinétique. En mécanique classique, pour les systèmes ne comportant que des forces conservatives, l'énergie mécanique totale [latex]E = T + V[/latex] est conservée.

Installation de laboratoire pour mesurer la viscosité des fluides à différentes températures en thermodynamique.

Dépendance de la viscosité à la température

Pour un fluide newtonien, la viscosité dépend de la température et de la pression, mais pas du taux de cisaillement. Dans les liquides, la viscosité diminue significativement avec l'augmentation de la température, car une énergie thermique plus élevée permet aux molécules de surmonter plus facilement les forces de cohésion intermoléculaires. À l'inverse, dans les gaz, la viscosité augmente avec la température, car des collisions moléculaires plus fréquentes à des vitesses plus élevées entraînent un transfert de quantité de mouvement plus important.

Première loi de la thermodynamique

Chimiste réalisant des expériences avec des catalyseurs dans un laboratoire d'époque, 1850.

Catalyseur sur l'équilibre chimique

Un catalyseur augmente la vitesse des réactions directes et inverses de manière équivalente en proposant une voie de réaction alternative avec une énergie d'activation plus faible. Bien qu'un catalyseur permette à un système d'atteindre l'équilibre beaucoup plus rapidement, il ne modifie pas la position de l'équilibre lui-même. Les concentrations à l'équilibre des réactifs et des produits, ainsi que la valeur de la constante d'équilibre K, restent inchangées.

Chimiste du XIXe siècle mesurant les volumes de gaz et illustrant la loi des gaz idéaux en thermodynamique.

Loi des gaz parfaits (forme molaire)

La loi des gaz idéaux est l'équation d'état d'un gaz idéal hypothétique, qui donne une approximation du comportement de nombreux gaz dans diverses conditions. La forme molaire relie la pression ([latex]P[/latex]), le volume ([latex]V[/latex]), la quantité de substance en moles ([latex]n[/latex]) et la température absolue ([latex]T[/latex]) par l'intermédiaire de la constante universelle des gaz ([latex]R[/latex]) : [latex]PV = nRT[/latex].

Appareil de laboratoire pour mesurer la pression de vapeur et la température en thermodynamique.

Clausius-Clapeyron Relation

La relation de Clausius-Clapeyron décrit la relation entre la pression et la température pour une substance à une transition de phase, comme un liquide et une vapeur. Pour la vapeur d'eau, elle montre que la pression de vapeur saturante augmente de manière exponentielle avec la température. La forme approximative est [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], où L est la chaleur latente.

1842

1847

1850

1841

1845

1850

1851

Démonstration du chauffage par effet Joule dans un laboratoire d'époque avec des appareils électriques.

Chauffage par effet Joule et énergie électrique

Le chauffage par effet Joule, ou chauffage ohmique, est le phénomène par lequel de la chaleur est produite par un courant électrique passant à travers un conducteur. Le taux de production de chaleur, ou puissance dissipée ([latex]P[/latex]), est donné par la première loi de Joule, [latex]P = VI[/latex]. En combinant cette loi avec la loi d'Ohm, la puissance peut être exprimée comme [latex]P = I^2 R[/latex] ou [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

Appareil de laboratoire pour mesurer l'énergie interne et l'enthalpie d'un gaz parfait en thermodynamique.

Énergie interne et enthalpie d'un gaz parfait

Pour un gaz parfait, l'énergie interne ([latex]U[/latex]) et l'enthalpie ([latex]H[/latex]) sont des fonctions de la température uniquement. Leurs variations sont données par [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] et [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], où [latex]c_v[/latex] et [latex]c_p[/latex] sont les chaleurs spécifiques à volume et pression constants, respectivement, et sont supposées être constantes.

Chercheur testant les propriétés viscoélastiques d'un polymère synthétique en laboratoire.

Viscoélasticité

La viscoélasticité est la propriété des matériaux qui présentent à la fois des caractéristiques visqueuses et élastiques lorsqu'ils subissent une déformation. Les matériaux visqueux, comme le miel, résistent au cisaillement et se déforment linéairement dans le temps lorsqu'une contrainte est appliquée. Les matériaux élastiques, comme un élastique, se déforment lorsqu'ils sont étirés et reviennent rapidement à leur état initial une fois la contrainte relâchée. Les matériaux viscoélastiques présentent des éléments des deux.

Scientifique mesurant la sublimation dans un laboratoire d'époque, étude de thermodynamique.

Enthalpie de sublimation

L'enthalpie de sublimation, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex], est la chaleur nécessaire pour convertir une mole d'une substance de solide en gaz à une température et une pression données. Selon la loi de Hess, l'enthalpie étant une fonction d'état, ce changement d'énergie est la somme de l'enthalpie de fusion ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex]) et de l'enthalpie de vaporisation ([latex]\Delta H_{text{vap}}[/latex]).