Premier principe dans les systèmes fermés

La base

Le premier principe de la thermodynamique établit que, lors de toute transformation, il y a une conservation de l'énergie (Wikipedia)

Vous connaissez certainement la célèbre phrase :

En effet, il n'est pas possible de "créer" de l'énergie, mais seulement de la transformer (électrique -> mécanique, solaire -> électrique, ...). C'est la même chose en chimie, un système (portion de l'environnement, qui peut être fermée (ex: moteur de voiture) ou ouverte (ex: turbine d'avion) ne peut ni créer de l'énergie ni en faire disparaitre.

D'ailleurs, l'énergie d'un système (U) est relativement simple a exprimer.

$$U=U_{int}+U_c$$

L'énergie d'un système correspond a la somme de son énergie interne (énergie de liaison des molécules, etc...) ainsi que de son énergie cinétique (la vitesse des particules, c'est a dire sa température)

Mais l'énergie interne $U_{int}$ est excessivement difficile (voire impossible) a déterminer, mais il y a un avantage, c'est qu'elle est constante, et que de manière générale on ne sera jamais intéréssé par l'énergie d'un système, mais plutôt par la différence d'énergie entre un moment A et un moment B.

$$\Delta U=U_B-U_A=(U_{int}+U_{cB})-(U_{int}+U_{cA})=\Delta U_c$$

Le terme de l'énergie interne disparaît ! Et il ne reste que $U_c$.

Mais que vaut $U_c$ ? Et bien il y a deux moyens d'ajouter de l'énergie a un système, soit via de la chaleur (Q) (on réchauffe le système) soit via un travail (W) mécanique.

Il est donc possible d'exprimer

$$U_c=Q+W$$

(Un $Q$ ou un $W$ positif signifient que le système recoit de l'énergie)

ainsi que

$$\Delta U=\Delta Q+\Delta W$$

Il faut donc bien comprendre qu'a chaque transformation d'un système, l'énergie ne peut varier qu'en fonction de chaleur (on réchauffe/refroidit) ou bien de travail.

Et voila ! Nous sommes arrivés à la première loi de la thermodynamique.

Il reste une loi importante a connaitre, la première loi de Joules:

Il est possible de visualiser cette loi par le fait que si l'on comprime un gaz, sa paroi sera en mouvement (le temps de la compression), et accélèrera le mouvement des particules qui la touchent (cf: une batte de baseball en mouvement accélère la balle qui rebondit dessus). Et comme la température correspond (en gros) a la vitesse des particules, un travail donné au système augmentera la température de celui ci.

Les transformations

Nous parlions de transformations, mais il est également important de bien comprendre les différents types de transformations possibles:

Transformation isotherme

Une transformation isotherme est une transformation durant laquelle la température du système est constante. (et par extension, le produit $pV$ est constant également car $pv=m{R}^{\ast }T$)

Étant donné que $\Delta U=Q+W=C_v\Delta T$ (ou $C_p$ en fonction), si la température est constante, $\Delta T=0$, nous pouvons donc concure que :

$$\Delta U=0⟺Q=-W$$

En effet, l'énergie gagnée par le système en travail devra être "éliminée" par une perte de chaleur du système.

Transformation isobare

Dans une transformation isobare, la pression est constante.

Transformation isochore

Dans une transformation isochore, le volume est constant.

Transformation adiabatique

Ce cas ci est un petit peu plus compliqué. Adiabatique signifie sans aucun échange de chaleur (ce qui n'empêche pas la température de changer a l'intérieur de notre système)

Elles sont caractérisées par l'égalité

$$p{V}^{\gamma }=cste\leftrightarrow \gamma =\frac{C_p}{C_v}$$