L’énergie et sa conservation

Plan

1. Notion de conservation de l'énergie
2. Premier Principe de la Thermodynamique
2.1. Modification de l'état d'un système
2.2. Principe d'équivalence
2.3. Energie interne
2.4. Premier Principe de la Thermodynamique pour un système fermé
3. Mécanique et Thermodynamique. Principe de conservation de l'énergie

Tout domaine des Sciences Physiques introduit le concept d’énergie. Bien que ce concept soit récent (environ deux siècles), il a largement dépassé le champ de compétences des Sciences Physiques et il n’est pas exagéré de dire qu’il conditionne " l’ordonnancement de nos vies sur la planète Terre " : le moindre " dérèglement " dans l’approvisionnement énergétique est source de conflits et d’interventions rapides.

1. Notion de conservation de l’énergie

Le mot énergie vient du grec energhia qui signifie " force en action " c’est à dire capacité à produire un mouvement.
Ainsi un corps qui possède de l’énergie cinétique (jadis appelée " force vive ") peut continuer, de lui-même, son mouvement au moins sur une certaine distance même dans un milieu résistant (s’opposant au mouvement).
L’énergie potentielle (jadis appelée " force morte ") a la capacité à produire un mouvement puisque, spontanément, par exemple, un corps pesant non contraint chute, une particule chargée q non contrainte à potentiel électrique V () se met en mouvement vers des régions de moindre énergie électrique.

En Mécanique, on voit :
- que forces et énergie cinétique apparaissent ensemble dans le théorème de l’énergie cinétique,
- que l’énergie potentielle est liée à la notion de forces conservatives c’est à dire de forces qui conservent l’énergie mécanique.

Très vite, le concept d’énergie mécanique se révèle insuffisant.
Un opérateur exerce une action (force) sur un système qui acquiert de l’énergie mécanique. Dans un certain nombre de cas il se trouve que le travail de l’opérateur est égal à l’énergie mécanique acquise par le système.
Ceci est satisfaisant pour l’esprit humain attaché à la notion de conservation : l’énergie acquise par le système a été perdue par l’opérateur qui a pu la transmettre (l’échanger) par travail.

Comment interpréter si le travail de l’opérateur n’est pas égal à l’énergie mécanique acquise par le système ? Ceci se produit lorsqu’il y a " des frottements, des résistances " et l’énergie mécanique acquise est toujours inférieure au travail de l’opérateur.
L’ énergie de l’Univers diminue t’elle ? Y a t’il possibilité d’une création spontanée d’énergie qui compenserait partiellement, totalement la perte d’énergie, voire la dépasserait ce qui ferait que l’énergie de l’Univers augmenterait ?

La réponse à ces questions constitue le Principe de conservation de l’énergie.

2. Premier Principe de la Thermodynamique

2.1. Modification de l’état d’un système

par échange d’énergie sous forme de travail de forces d’opérateur extérieur
 

Un gaz est enfermé dans un récipient (cylindre) dont l’une (piston) des parois solides est mobile. Un opérateur extérieur en exerçant une force sur le piston provoque le déplacement de ce dernier et, par exemple, une diminution du volume occupé par le gaz. Il se produira une augmentation de la pression du gaz et, généralement, une variation de la température du gaz.

L’état du système gaz a changé.
L’opérateur a effectué un travail qui, suivant ce que nous a appris la Mécanique, est un échange d’énergie entre le système gaz et l’opérateur extérieur. Cet échange d’énergie se traduit par une modification des variables d’état.

par transferts thermiques (on dit aussi échange de chaleur ou échange d’énergie calorifique)

Lorsque nous mettons en " contact " des corps de températures différentes, nous produisons une modification de l’état de ces corps (changement des températures et/ou de phases).
L’eau contenue dans une casserole en contact avec la flamme d’un gaz en combustion voit sa température s’élever puis elle se met à bouillir c’est à dire elle se transforme en vapeur (gaz).
Nous ne pouvons attribuer ces modifications de l’état du système à des échanges d’énergie sous forme de travail.
Dans ce cas, nous parlons de transferts thermiques (ou de chaleur).

Cependant, il ne faudrait pas croire que ces deux façons d’agir sur un système peuvent être totalement équivalentes : par transferts thermiques, nous ne pouvons jamais affecter directement le mouvement d’un système.

2.2. Principe d’équivalence

Nous sommes tout à fait capables d’élever la température de l’eau contenue dans une casserole en mettant en mouvement des palettes solides (agitateur). Nous produisons des effets tout à fait comparables à ceux produits par transferts thermiques mais cette fois par échange d’énergie sous forme de travail.
Est-ce que les transferts thermiques (la chaleur) sont une autre façon d’échanger de l’énergie entre différents systèmes ?
La question a été longtemps débattue au 19^ème siècle. La réponse fait partie du Principe d’équivalence à savoir que travail de forces et chaleur sont les deux seules façons possibles d’échanger de l’énergie entre systèmes fermés.

Les travaux de J. Joule au siècle dernier ont été déterminants.
Dans un calorimètre (récipient contenant de l’eau dont les parois peuvent être parfaitement isolées d’un point de vue thermique), Joule, dans un premier temps, élevait la température par échange d’énergie sous forme de travail (W était fourni au calorimètre et compté positivement), dans un deuxième temps, il ramenait le calorimètre à son état initial en le refroidissant par échange de chaleur avec l’extérieur (la chaleur Q était perdue par le calorimètre et compté négativement).
Les mesures de Joule, sur ce cas expérimental, montrèrent que 
Ce résultat suppose que travail et chaleur soient comptés dans une même unité.
En fait, avant Joule, les quantités de chaleur étaient comptées en calories, la calorie étant la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1g d’eau de 14,5 à 15,5 °C sous la pression atmosphérique normale.
Les expériences de Joule établissent un rapport entre l’unité travail (appelé actuellement Joule) et l’unité chaleur compris entre 4,1855 et 4,1860.

Le résultat  généralisé à tout système constitue le principe d’équivalence que nous énoncerons ainsi :
" Dans une expérience dans laquelle rien n’a varié d’autre que des quantités de travail et de chaleur échangées avec l’extérieur, il y a équivalence entre le travail et la chaleur "
ou
" Lorsqu’un système thermodynamique fermé quelconque subit un cycle de transformations qui le ramène à son état initial, la somme du travail W et de la chaleur Q échangés est nulle "

2.3. Energie interne

Nécessité de l’énergie interne
 

Soit un système fermé évoluant d’un état I à un état F en échangeant avec l’extérieur du travail W et de la chaleur Q, sans que son énergie mécanique change. Imaginons plusieurs transformations notées 1, 2, ... pour aller de l’état I à l’état F et une transformation r ramenant de l’état F à l’état I. Nous appliquons le principe d’équivalence pour les différents cycles, à savoir : ....

La quantité W + Q est indépendante de la transformation amenant de l’état I à l’état F. Elle ne dépend donc que des états I et F dont on rend compte par les variables d’état.
Par définition, la somme W + Q est la variation de l’énergie interne U du système.

Définie par une variation, l’énergie interne U n’est connue qu’à une constante additive près. Elle ne dépend que de l’état du système.
Pour un système en état d’équilibre où les variables d’état (c’est à dire les paramètres mesurables qui rendent compte de l’état du système) sont constantes et uniformes, l’énergie interne est une fonction de celles-ci.
Par définition, on appelle fonction d’état une fonction des variables d’état.
Aussi l’énergie interne U est une fonction d’état  U = U(variables d’état)

Visualisation de l’énergie interne
Compte tenu de ce que nous savons sur la structure de la matière, de l’énergie cinétique qui ne fait appel qu’à l’aspect macroscopique du système et de l’énergie potentielle qui est le résultat d’interactions avec d’autres systèmes macroscopiques, l’énergie interne est une notion simple qui comprend :
- l’énergie cinétique " microscopique " des particules constituant le système dans un référentiel où les particules sont globalement au repos,
- l’énergie des interactions entre particules,
- l’énergie de liaison des molécules (énergie chimique),
- l’énergie de liaison des constituants de l’atome (énergie atomique ou nucléaire).

Une propriété importante de l’énergie interne découle de ce propos : l’énergie interne a un caractère additif.

2.4. Premier Principe de la Thermodynamique pour un système fermé

• U énergie interne est une fonction d’état ; sa variation est indépendante de la transformation et ne dépend que des états initial et final.

• L’énergie interne a un caractère additif.

• Le terme W représente le travail de forces produites par un opérateur extérieur qui affectent l’état thermodynamique (variables d’état) du système et Q représente la chaleur. Ce sont les deux façons, pour un système fermé isolé mécaniquement, d’échanger de l’énergie avec d’autres systèmes appelés milieu extérieur.

• Puisqu’il s’agit d’échanges, il serait fondamentalement faux d’attribuer travail et/ou chaleur à un système particulier.

• W et Q dépendent de la transformation qui amène d’un état initial à un état final.

• En cohérence avec la Mécanique, ils sont comptés positivement pour un système s’ils sont reçus par celui-ci, négativement s’ils sont perdus (ou fournis) par le système.

• Evidemment, la relation n’est plus valide si le système subit des variations d’énergie mécanique " macroscopique ".

3. Mécanique et Thermodynamique. Principe de conservation de l’énergie

Nous avions conclu le paragraphe 1 de ce chapitre sur un certain nombre de questions pour lesquelles nous sommes, en mesure, de répondre.
En Mécanique et en Thermodynamique, nous avons exprimé que, lorsqu’un système reçoit ou perd de l’énergie (mécanique ou interne), un autre système a fourni ou a reçu cette énergie.
En Mécanique, dans le cas des forces de frottement, on note qu’il y a perte systématique d’énergie mécanique c’est à dire que le travail des forces de frottement est négatif.

Qu’est devenue cette énergie mécanique perdue ?

Remarquons,
- d’une part, que l’énergie totale d’un système est égale à ,
- d’autre part, que des forces de frottement naissent parce qu’un milieu s’oppose au déplacement d’un corps ; les forces de frottement ne créent pas le mouvement, elles naissent de l’action d’une force extérieure qui provoque un déplacement.

Choisissons comme système l’ensemble corps en " mouvement libre " et milieu résistant (la notion de mouvement est toujours relative).
Suivant ce nous appellerons le " Principe de conservation de l’énergie ", la perte d’énergie mécanique produit une augmentation égale de l’énergie interne du système s’il est isolé : l’énergie totale du système est conservée. Le fait que les températures dans le système augmentent confirme nos propos mais S’il n’est pas isolé, il se produira des échanges d’énergie (souvent sous forme de chaleur) avec le milieux extérieur qui seront égales à une partie (le complément se fera en augmentation d’énergie interne du système) ou à toute la perte d’énergie mécanique (dans ce cas, les températures restent constantes).

Remarques :
- en Thermodynamique, les forces de frottement doivent être comprises comme des forces internes,
- nous ne pouvons définir le partage du gain d’énergie interne entre corps en mouvement et milieu résistant (pour cela, il nous faut des connaissances supplémentaires sur le frottement),
- le travail des forces de frottement (perte d’énergie mécanique) ne devient pas obligatoirement de la chaleur (nous voyons ceci trop souvent écrit, sous-entendu comme allant de soi ou dit, pour ne pas attirer fortement l’attention du lecteur).

Principe de conservation de l’énergie.

Pour un système dont l’énergie mécanique et l’énergie interne peuvent varier, nous postulons la conservation de l’énergie, à savoir,

Ainsi toute augmentation (ou diminution) d’énergie d’un système s’accompagne d’une diminution égale (ou augmentation égale) de l’énergie d’autres systèmes.

Dans notre monde moderne, nous consommons énormément d’énergie interne dans les réactions chimiques (combustion) ou nucléaires. Nous transformons cette énergie dans les moteurs thermiques en énergie mécanique. Nous utilisons cette énergie sous cette forme ou, après transformation, sous forme d’énergie électrique. Une fois utilisée, nous avons une augmentation de l’énergie mécanique microscopique de notre environnement ... inutilisable.

Premier principe de la Thermodynamique pour un système ouvert
La matière contient de l’énergie, il y a donc une autre possibilité d’échanger de l’énergie : échanger de la matière. Notre écriture du principe de conservation de l’énergie n’est donc pas étendue au cas de l’échange de matière.
Le transfert d’énergie accompagnant l’échange de matière est abordé dans le paragraphe " Notions simples sur les systèmes ouverts " du chapitre "Considérations sur les machines thermiques".
Nous aurons besoin toute de suite de la fonction d’état enthalpie ,son sens physique sera donné lors du paragraphe cité.