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# Chapitre II : Le premier Principe de la thermodynamique

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- Cours

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- Objectifs
- Introduction
- Chapitre II : Premier principe de la thermodynamique
  - Introduction
  - Notation
  - Principe
  - Application du premier principe au gaz parfait : La détente de Joule Gay-Lussac
  - Énergie interne d'un gaz parfait
  - La fonction enthalpie
  - Capacités thermiques
  - Calorimétrie
  - Principaux travaux et transferts thermiques
- Conclusion

Contenu :

## Notation

Considérons un système d'énergie totale E = Em + U = Ec + Ep + U, capable d'échanger de l'énergie avec le milieu extérieur sous forme du travail mécanique W et du transfert thermique Q.

Par convention :

- W ou Q > 0 ⇒l'énergie correspondante est effectivement reçue.

- W ou Q < 0 ⇒l'énergie correspondante est effectivement cédée au milieu extérieur.[1]

### Énergie interne (U)

Les particules (les atomes, les molécules,...etc) à l'échelle microscopique sont toujours animées de mouvements incessants et aléatoires (agitation moléculaire); dite vibration pour les solides et agitation thermique pour les liquides et les gaz.

A ces mouvements microscopiques est associé de l'énergie cinétique Eci pour chaque particule. De plus, entre ces atomes peuvent exister des forces d'interaction (attraction et répulsion) aux quelles on associe une énergie potentielles Epi pour chaque particule.

A l'échelle microscopique, l'énergie interne (U) du système est définie comme la somme algébriques des énergies cinétiques Eci et potentielles Epi, de toutes les particules formant le système.

#### Propriétés de l'énergie interne

A l'équilibre thermique, l'énergie interne (U) :

- C'est une énergie exprimée en Joule [J] ou en [cal].

- Elle a une valeur bien définie.

- C'est une fonction d'état (qui ne dépend que l'état thermodynamique initial et final).

L'énergie interne caractérise le niveau énergétique du système thermodynamique. L'énergie interne d'un système peut varier suite à des échanges d'énergie avec le milieu extérieur. Les énergies sont principalement échangées sous forme de chaleur (Q) et de travail (W).

### La Chaleur (Q)

a chaleur est une forme spéciale de l'énergie :

- C'est une énergie exprimée en [J] ou en k[cal].

- Elle est échangée à l'échelle microscopique sous forme désordonnée par agitation moléculaire (c'est-à-dire par choc entre les molécules en mouvement.

- Elle s'écoule toujours d'une source chaude vers une source froide.

- La chaleur n'est pas une fonction d'état, c'est-à-dire dépend du chemin suivi.

On peut définir deux types de chaleurs distinctes:

- Chaleur sensible (Elle est liée à une variation de température (ΔT) du système à la suite d'un réchauffement ou d'un refroidissement de ce dernier).

- Chaleur latente (Elle est proportionnelle à la quantité de matière (masse ou nombre de moles).

#### Chaleur sensible définition

Elle est liée à une variation de température (ΔT) du système à la suite d'un réchauffement ou d'un refroidissement de ce dernier. Elle est proportionnelle à la quantité de la matière (masse ou nombre de moles) et à la différence de température (ΔT).

Pour une transformation infinitésimale: dQ=m C dt ou dQ=n C dt

Où :

m : La masse de la matière du système.

n : Le nombre de moles du système.

C : La capacité calorifique massique ou molaire de la matière exprimée respectivement en [J. Kg -1. K-1] ou [J. mol -1. K-1]. Elle peut être à pression constante (Cp) ou à volume constant (Cv

Pour une transformation finie :

Si on considère que la capacité calorifique du système est indépendante de la température. Dans le cas contraire, C = f (T) on aura :

On remplace la formule de la capacité puis on fait l'intégrale complète.

#### Chaleur latente définition

La quantité de chaleur latente est la chaleur nécessaire pour qu'une quantité de matière puisse changer son état physique à une température constante. Elle est proportionnelle à la quantité de matière (masse ou nombre de moles) et la valeur de la chaleur latente liée à ce changement d'état physique.

Q=m.L ou Q=n.L

Pour chaque type de matière, il existe trois types de chaleurs latentes liées aux six changements d'état physiques (Ls, Lv et Lf). Où

Ls, Lv ou Lf : est la chaleur massique ou molaire associée respectivement à une sublimation, vaporisation ou fusion.

Différents types de transformations d'états physiques de matière

##### Convention du signe d'énergie

- Les énergies (W, Q) reçues par le système sont > 0 (positives) et affectées de signe (+).

- Les énergies (W, Q) cédées par le système sont < 0 (négatives) et affectées de signe (-).

### Le travail (W)

Le travail est une autre forme d'énergie (énergie mécanique) :

- C'est une énergie exprimé en [J] ou en [cal].

- A l'échelle microscopique; c'est une énergie échangée de façon ordonnée (grâce au déplacement par exemple d'un piston qui imprime une certaine direction aux atomes.

- Ce n'est pas une fonction d'état.

Le travail résulte le plus souvent d'une variation de volume d'un système déformable (non rigide), par exemple le cas du déplacement d'un piston. On parle alors de travail définit par :

dw= F. dx = P.S. dx = P.S . dv/v = p . dv avec p en [ N.M] ou [J]

D'où le travail élémentaire est défini par la relation dw=- p . dv

1. Réf1

   A. Sevin, . F. Brochard-Wyart, C. D. Dandine, S. Griveau, R. Portier, F. Volatron "Chimie générale tout le cours en FICHES Licence - PACES - CAPES" Dunod, Paris, 2016.

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