Le première principe de la thermodynamique stipule: "L'énergie totale d'un système isolé n'est ni créée ni détruite, la quantité d'énergie reste constante." L'énergie se transforme d'une forme à une autre.
La loi de conservation de l'énergie stipule que la quantité totale d'énergie dans tout système physique isolé (sans interaction avec aucun autre système) reste inchangée au fil du temps, bien que cette énergie puisse être transformée en une autre forme d'énergie.
En thermodynamique , il constitue le premier principe de la thermodynamique (la première loi de la thermodynamique).
Bien que la définition semble très technique et difficile à comprendre, de nombreux exemples quotidiens appliquent ce principe thermodynamique.
Nous utiliserons différents exemples:
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Un garçon qui lance une balle en l'air.
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Les machines à vapeur sont des machines thermodynamiques transférant fréquemment de la chaleur.
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L'énergie solaire, en particulier le solaire thermique, fait l'expérience de la loi de conservation de l'énergie.
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Lorsque la chaleur est transférée à un objet, son énergie interne augmente, ce qui se traduit par l'augmentation de sa température.
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Lorsqu'un gaz à l'intérieur d'un piston est comprimé, il reçoit du travail et cela change l'énergie interne du système.
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Une batterie chargée à plus d'énergie interne qu'une batterie non chargée.
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La chaleur générée par le Soleil provoque une modification de l'énergie de nombreuses substances, par exemple l'eau, c'est pourquoi son état change.
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Lorsque nous liquéfions un jus , un travail est mis dans la substance et cela modifie son énergie interne.
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Le moteur d’une voiture.
Selon le système international d'unités, l'énergie, la chaleur, le travail et toutes les formes d'énergie sont mesurés en Joules.
Tous les exemples réels sont des systèmes ouverts. Les systèmes fermés n'existent que sur le papier pour simplifier les calculs. Le second principe donne l'explication du concept d’irréversibilité des ces processus.
Principe de conservation de l'énergie dans un ballon jeté en l'air
Deux types d'énergie sont impliqués dans cet exemple: cinétique et potentielle.
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Lorsqu'un garçon lance une balle en l'air, la balle subit plusieurs transformations d'énergies.
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Lorsque la balle quitte les mains du garçon, elle a de la vitesse (énergie cinétique). Il n'a pas encore pris de hauteur; par conséquent, il n'a pas d’énergie potentielle.
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Au fur et à mesure que la balle prend de la hauteur, elle perd de l'énergie cinétique et gagne de l'énergie potentielle.
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Lorsqu'il atteint le point le plus élevé, il n'a que de l'énergie potentielle.
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Finalement, il redescend et les énergies sont également inversées.
Machines à vapeur
Le développement de la machine à vapeur a impliqué le début du développement de la première des lois de la thermodynamique. C'est une machine thermique où le transfert thermique a une importance énorme.
C'est la première fois qu'une transformation thermodynamique se produit pour convertir l'énergie thermique en énergie mécanique. Le travail effectué par le système est basé sur la variation du rapport pression-volume.
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Au départ, toute l'énergie interne du système est l'énergie interne du carburant.
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Lors de la combustion, il y a un changement d'énergie; il est transformé sous forme d’énergie thermique.
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Toute cette quantité de chaleur est utilisée pour générer de la vapeur et alimenter les pistons du moteur. A ce moment, il est converti en énergie mécanique.
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Le mouvement du moteur fait bouger la locomotive. Avoir de la vitesse implique d'avoir de l'énergie cinétique.
Dans notre exemple, la locomotive n'est pas un système isolé. Il y a donc une certain quantité de chaleur échangée avec l'extérieur. Dans une locomotive à vapeur, il y a de nombreuses pertes de forme différentielle, par exemple:
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La fumée de la combustion et la vapeur chaude qui s'échappe.
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Le frottement entre les différents mécanismes génère un travail négatif.
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Le frottement avec les pistes fait perdre de l’énergie sous forme du travail.
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Le frottement avec l'air est un moyen d'échapper à l'énergie du système.
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Une partie de la chaleur générée dans la chaudière est transmise à l'air.
Les échanges de chaleur sont faites toujours depuis le corps chaud au corps froid.
¿Qu’est-ce que une machine thermique?
Un moteur thermique est un ensemble d'éléments mécaniques qui permet d'échanger de l’énergie, généralement à travers un axe, en faisant varier l'énergie d'un fluide dont la densité varie de manière significative lors de son passage dans la machine.
Il s'agit d'une machine à fluide dans laquelle le volume spécifique du fluide varie à un point tel que les effets mécaniques et les effets thermiques sont interdépendants.
L’exemple de la machine à vapeur peut se faire extensive aux toutes les machines thermiques.
Conservation de l'énergie dans l'énergie solaire
Un exemple de ce principe est l'énergie solaire. Il est appliqué à la fois en photovoltaïque et en solaire thermique.
Les atomes des particules qui composent le Soleil contiennent de l'énergie (énergie interne). Ces atomes subissent en permanence une réaction nucléaire. La fusion nucléaire convertit cette énergie chimique en rayonnement.
Les panneaux solaires captent le rayonnement solaire qui atteint la Terre.
Les panneaux solaires transforment cette énergie en énergie électrique (énergie photovoltaïque) ou en énergie thermique (énergie thermique).
Alors, pourquoi la performance d'un panneau solaire n'est-elle pas à 100%?
Toute l'énergie solaire qui atteint le panneau solaire est transformée. Mais tout n'est pas transformé en le même type d'énergie. Une partie du rayonnement reçu par un module photovoltaïque est convertie en électricité.
Cependant, une autre partie est convertie en chaleur, chauffant le panneau; ou rebondit dans l'atmosphère.
Principe de conservation de l’énergie dans le moteur d’une voiture
Imaginons le moteur d'une voiture. C'est un système thermodynamique dans lequel de l'essence entre qui réagit avec l'oxygène et l'étincelle pour générer une combustion, libérant de la chaleur et transformant le reste en mouvement (travail).
Si nous pouvons mesurer la quantité de carburant consommée, la quantité de travail effectué et la quantité de chaleur dégagée, et nous conclurons que l'énergie dans le moteur est restée constante au fil du temps (aucune énergie n'a été créée ou détruite).