De la mécanique à la thermodynamique : formes d'énergie et échanges d'énergie

Système fermé et isolé

Toute la thermodynamique est construite sur deux principes; la validité d'un principe repose sur la cohérence et l'exactitude des conséquences que l'on en tire.

Le premier principe affirme que l'énergie est une grandeur conservative c'est à dire que l'énergie d'un système fermé et isolé est constante, elle ne peut-être ni créée, ni détruite.

Un système fermé n'échange pas de matière avec l'extérieur.

Un système isolé n'échange pas d'énergie avec l'extérieur.

Non conservation de l'énergie mécanique

Considérons un pendule élastique constitué d'une masse m fixée à un ressort vertical de raideur k, le tout enfermé dans une enceinte en verre remplie d'air sous faible pression; on étudie le système {pendule+air} fermé et isolé.

Dans l'état initial, le ressort est comprimé de a et l'air est au repos
E I = 1 2 k a 2 + m g a

On abandonne la masse sans vitesse initiale, la masse effectue des oscillations amorties.

Dans l'état final, le pendule et l'air sont au repos
E F = 0

Cette dissipation d'énergie mécanique est associée à l'existence de forces de frottements non conservatives décrivant à l'échelle macroscopique les interactions pendule et air :
E F - E I = W n c = W f

Le point de vue de la thermo

En mesurant la température de l'air T F > T I . La pression étant faible, on peut utiliser le modèle du GP
U F > U I

Il y a donc conversion d'énergie mécanique en énergie interne via les chocs des molécules d'air sur le pendule; des mesures précises montreraient que cette conversion est parfaite.

L'énergie mécanique n'a pas disparue, elle a pris une autre forme.

C'est donc la somme E+U qui est une grandeur conservative; si E diminue U augmente et inversement :
Δ E + Δ U = 0

Echanges d'énergie

Considérons de l'air dans un cylindre fermé par un piston mobile; un thermomètre permet de mesurer la température de l'air.

Lorsque V diminue T augmente et donc U augmente or Δ E = 0 puisque l'air est au repos dans l'état initial et dans l'état final.

L'augmentation de U n'est pas due à une diminution de E; le système n'étant pas isolé, il a reçu de l'énergie de la part du piston; un tel transfert est familier en mécanique, il s'agit du travail W des forces de pression lors du déplacement de leur point d'application.

Si maintenant nous bloquons le piston et que nous plaçons le récipient dans un bain d'eau chaude T et U augmente.

L'air a donc reçu de l'énergie sans que les forces de pression aient travaillé puisque leurs points d'application ne sont pas déplacés; un tel transfert est appelé chaleur ou mieux transfert thermique.

On dit que l'évolution d'un système est adiabatique si le système n'échange pas de chaleur avec l'extérieur; on dit aussi dans ce cas que le système est calorifugé ou encore thermiquement isolé.

Résumé

En résumé, le passage du point de vue de la méca au point de vue de la thermo conduit à distinguer :

macroscopique microscopique
perception par un « observateur mécanique » perceptible dissimulé
énergie énergie mécanique E énergie interne U
transfert d'énergie travail W transfert thermique Q