LE PREMIER PRINCIPE 1 L'énergie interne L'énergie interne d'un système est la somme des énergies potentielles et cinétiques des molécules, atomes ou ions qui le constituent.

LE PREMIER PRINCIPE 1 L'énergie interne L'énergie interne d'un système est la somme des énergies potentielles et cinétiques des molécules, atomes ou ions qui le constituent. Donc il s'agit grandeur extensive = f(quantité de matière dans le système) N.B. elle n'englobe pas l'énergie cinétique due au déplacement du système dans son ensemble. (L'énergie interne du réservoir d'une voiture ne dépend pas de la vitesse de la voiture) L'énergie interne s'exprime en Joule (J). Elle est notée U. 2 (Un battement de coeur humain consomme un joule) L'énergie interne Principe de conservation d'énergie Dans un système isolé : U = constante 3 Exemple: calcul de U d'un système gazeux Système gazeux = gaz monoatomique type gaz rare (He, Ar) U = U(0) + Ep + Ec U(0) : énergie interne stockée dans les noyaux et les électrons = invariante dans les situations courantes. Ep: énergie potentielle Ici: hypothèse d'un gaz parfait (à distance ?, Ep = 0) 4 calcul de U d'un système gazeux monoatomique 1 1 1 2 2 2 E c ? mVx ? mVy ? mVz 2 2 2 Y Z Vy Vz Vx 5 X 1 1 1 3 ? Ec ? kT ? kT ? kT ? kT 2 2 2 2 Exemple: calcul de U d'un système gazeux 3 U ? Cste ? kT 2 3 Um ? N. Cste ? NkT 2 3 Um ? Cste ? RT 2 3 U ? U0 ? 0 ? kT soit 2 à 298 K : 6 Um ? Cste ? 3,7kJ Exemple: calcul de U d'un système gazeux N.B. à une température donnée, s'il existe d'autres de stockage d'énergie comme la rotation, pour une molécule diatomique, Um est plus élevée. Dans tous les cas : L'énergie interne d'un système constitué d'un gaz parfait ne dépend que de la température. 7 Formulation mathématique du 1ier principe N.B : le signe ? s'applique à la différence entre deux valeurs d'une propriété mesurées à deux moments différents. Système isolé en évolution dans le temps : Uf - Ui ? ?U ? 0 Système fermé non isolé : 8 Uf - Ui ? ?U ? q ? w Formulation mathématique du 1ier principe Prenons l'exemple d'une diminution de U : wq Ui Uf temps ?U ? q ? w ?U ? 0 ? ?w ? q? ? 0 Si w ou q ? 0 9 Travail fourni à l'extérieur ou Chaleur perdue par le système Cloison diathermique ou adiabatique q= transfert de chaleur w= transfert de travail 10 Propriétés de l'énergie interne U est une propriété extensive S3 = S2 + S1 S1 S2 U3 = U2 + U1 U1 U2 i.e. avec 2 réservoirs d'essence, on dispose de 2 fois plus d'énergie U est une fonction d'état Elle ne dépend pas du moyen utilisé pour produire le système. i.e. 1L d'alcool, qu'il provienne de la fermentation de la betterave ou du raisin, donne la même énergie. 11 Transferts de chaleur Cloison diathermique t élevée t basse énergie sous forme de chaleur 12 Transferts de chaleur Cloison diathermique Températures égalisées 13 Modalités de transfert d'énergie Si w ? 0, comment s'effectue ce transfert de d'énergie ? w correspond toujours au mouvement ordonné de particules contre une force s'opposant à ce mouvement. Extension: Volume: Électrique: dw = Fdl dw = -pext dV dw = Edq Champ électrique 14 charge Particules en mvt atomes, molécules atomes, molécules électrons Expansion d'un gaz Pext z Pext s ?Z ?V F F w Ui 15 Uf ?Z = s ?V Exemple: calcul de U d'un système gazeux F ? Pext .s ? Cste dw ? ?Fdz dw ? ?p ext s.dz ? dw ? ?p ext .dV ? w ? ?p ext .?V Vf ? Vi ? 0 ? w ? 0 16 NB : pour une expansion isotherme Puisque le processus est isotherme, U = cte Et comme w<0 (du travail est réalisé par le système sur l'environnement) On a forcément q>0 Donc une quantité de chaleur est absorbée par le système. Remarque : si l'expansion est trop rapide pour que le transfert de chaleur ait lieu, le processus n'est plus isotherme, le système se refroidit. (exemple du pneu qui se dégonfle rapidement) 17 Travail fourni par l'electrolyse de l'eau Quand 18 g d'eau sont électrolysés, w = -pext?V quel travail a été fourni ? Quel est ?V ? H2O(l) 1 mol 18 mL H2 (g) + ½ O2 (g) 1 mol V> 24 L à CSTP ½ mol >12 L à CSTP Vi = initial négligeable devant Vf 18 ?nRT ?V ? Vf ? p ext Travail fourni par l'electrolyse de l'eau ?V ? Donc ?nRT p ext w ? ? p ext w = -pext?V ?nRT ? ? ?nRT p ext Pour 18 g d'eau: w = - 1,5 x R x T = -3714 Joules Le travail produit par les réactions qui produisent ou consomment des gaz à pext = cte ne dépend pas de cette pression. 19 CHALEUR et TEMPERATURE 20 Chaleur et température Étude des relations entre: Les transferts de chaleur q de ou vers un système ET Les variations de son énergie interne U ET Les variations de sa température T Il existe une relation simple entre U, q et T. 21 Calorimétrie : « mesure de chaleur « La calorimétrie est basée sur le fait que tout apport de chaleur q à un système s'accompagne d'une augmentation de T et de U. Pour faire des mesures simples on travaillera souvent à volume constant du système : pourquoi? ?U = q+w Or V = cte et par conséquent w = 0 Donc ?U = qv 22 Indice signifiant que la transformation est réalisée à volume constant Le calorimètre ? Il est constitué d'un système fermé (la bombe) en contact diathermique avec un environnement lui même isolé du reste de l'univers. Cet environnement reçoit ou fournit de la chaleur au système. Le bilan chaleur est établi en mesurant la variation de température de l'environnement du système (au sein de la zone bleue). 23 Pourquoi une bombe pour placer le système? le système étudié est placé dans une bombe résistant à de fortes pressions. En effet, Si V = cte, dès que ?n>0, alors p peut augmenter très fortement. 24 Calorimétrie : « mesure de chaleur « Si le système perd une quantité de chaleur q au profit du calorimètre on observe un accroissement de T tel que: -q ?T ? C Tf - Ti (K) 25 Chaleur apportée par le système (bombe) (J) Constante calorimétrique du calorimètre (J.K-1) Calorimétrie : « mesure de chaleur « On peut considérer C = cte pour de faibles écarts de température. Le calorimètre est surdimensionné par rapport aux réactifs chimiques, pour que les écarts de températures mesurés soient faibles. 26 Capacités calorifiques ? La capacité calorifique est une mesure de la capacité d'un système à absorber la chaleur. ? Elle est d'autant plus élevée que l'écart de température du système provoqué l'apport de chaleur est faible. DONC : ? Plus le système est grand, plus sa capacité calorifique est grande (exemple le Gulf Stream) : la capacité calorifique, comme l'énergie interne est une grandeur extensive. ? La capacité calorifique dépend de la structure moléculaire du système (Cgaz monoatomique < Cgaz polyatomique) 27 Capacités calorifiques des...