Premier principe de la thermodynamique
Fondamental : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».
Tout le monde connaît l'aphorisme concédé à Antoine Laurent de Lavoisier, chimiste, philosophe et économiste Français du 18ème siècle. C'est là la forme la plus simple d'un principe déjà pressenti à l'antiquité ( « Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau »
, Anaxagore philosophe grec du 5ème siècle av JC) , puis reformulé différemment et plus complètement : le premier principe de la thermodynamique affirme que « lors de toute transformation, l'énergie se conserve »
Ceci peut s'illustrer de la manière suivante :
Définition :
De manière générale, on appelle en sciences physiques « système » une portion délimitée de l’univers que l’on identifie comme objet d’analyse ; en toute rigueur, cette portion peut être envisagée à toute échelle : atomique, humaine, cosmos… Concrètement lors d’études énergétiques ou thermodynamiques, un système peut être une machine, un équipement, une construction ou partie d’une construction, un volume, etc., etc. …De manière générale, on appelle en sciences physiques « système » une portion délimitée de l’univers que l’on identifie comme objet d’analyse ; en toute rigueur, cette portion peut être envisagée à toute échelle : atomique, humaine, cosmos… Concrètement lors d’études énergétiques ou thermodynamiques, un système peut être une machine, un équipement, une construction ou partie d’une construction, un volume, etc …
On distingue alors ce qui est dans le système, de ce qui est en dehors que l’on qualifie alors de « milieu ou environnement extérieur ». Des échanges d’énergies peuvent se faire alors entre le système et le milieu extérieur sous deux formes (et dans les deux sens) : travail ou chaleur. On distingue alors ce qui est dans le système, de ce qui est en dehors que l’on qualifie alors de « milieu ou environnement extérieur ». Des échanges d’énergies peuvent se faire alors entre le système et le milieu extérieur sous deux formes (et dans les deux sens) : travail ou chaleur
Mais pour être plus précis, il faudrait décomposer le processus selon le schéma suivant :
: c'est l'énergie à l'origine de la modification, ce qui est apporté de l'extérieur ou provoqué
: ce sont les modifications énergétiques de type cinétique et potentielles (voir définitions plus loin), aux niveaux microscopiques (matière, atome...) ou macroscopique (l'objet observé) induites par
.
Ces modifications permettent « en sortie » , ce qui est appelé « échange avec le monde extérieur », de fournir :
soit un Travail :
, c'est à dire une force en actionsoit un dégagement de chaleur. Cette énergie (thermique) peut être utilisée mais la plupart du temps est en quelque sorte perdue, inexploitée ou inexploitable.
Fondamental :
« L'énergie se conserve... ». Certes, mais l'énergie mise en jeu au départ (« entrée ») n'est jamais récupérée intégralement sous une forme « utile », c'est à dire utile au besoin pour lequel la transformation est pensée ; il y a toujours une partie de l'énergie d'entrée qui se disperse, se dissipe sous une forme non récupérable, non exploitable.
Remarque :
Il est ambigu de parler ici de « pertes » énergétiques, car selon le premier principe de la thermodynamique, « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme»...
Le quotient d'énergie utile récupérée en sortie par rapport à l'énergie d'entrée à la source, permettra de définit ultérieurement le concept de « rendement »...
L'histoire du développement humain dans le domaine énergétique à consisté au final à progresser selon les trois maillons de cette chaîne schématique :
(Re) découvrir et maîtriser de nouvelles sources énergétiques (exemple : le feu, l'électricité, le nucléaire ...)
Développer des processus et mécanismes de transformations fonctionnant avec cette énergie (exemple : invention du moteur à explosion, facteur fondamental de la révolution industrielle ...)
Maximiser l'énergie utile exploitable (exemples : diminuer les consommations de carburant des moteurs...)
Situations observées | Système d'étude | Entrée : énergie source | Sortie | |
|---|---|---|---|---|
Énergie utiles | Énergie dissipée | |||
Métabolisme humain | Le corps humain | L'alimentation procure l'énergie nécessaire au fonctionnement du corps humain | Consommation d'énergie dédiée au fonctionnement des organes vitaux ( !) Énergie musculaire utilisée pour accomplir des tâches Énergie maintenant le corps à température (chauffage interne !) | Énergie dissipée sous forme d'excès de chaleur, transpiration... |
Circuler en voiture | Une voiture en fonctionnement | L'énergie libérée par carburant du moteur (essence, gazole, fioul...) à explosion | La mise en mouvement du véhicule (énergie cinétique et potentielle, voir plus loin) L'électricité produite nécessaire au fonctionnement des fonctions accessoires du véhicule Le chauffage du véhicule | Les excès de chaleur dissipés par le moteur, les gaz brûlés... L'énergie nécessaire à vaincre la résistance de l'air, les frottements (pneus...) |
Un ordinateur portable | L'ordinateur portable | Alimentation électrique sur secteur ou batterie | Fonctionnement des moteurs de l'ordinateur : processeurs, ventilateurs... Éclairage de l'écran | Énergie dissipée sous forme de chaleur essentiellement |
