III. Énergie d’un système (énergie interne)

I. La notion d’énergie interne

Quand un système reçoit de l’énergie par le travail d’une ou de plusieurs forces qui changent ses caractéristiques physiques ou chimiques, il emmagasine de l’énergie sous forme d’énergie interne : dans chaque système pour un état donné, on peut associer une valeur appelée énergie interne (U).

Cette énergie peut-être présentée sous différentes formes :

Une énergie interne est l’ensemble de toutes les énergies qui se manifestent à l’échelle microscopique : l’énergie cinétique des particules et les différences d’énergies d’interaction qui peuvent exister.

On peut calculer ΔU, en prenant la différence de température entre deux  instants :

ΔU  = Ufinal – Uinitial

I.a Calcul

ΔU= m*c*(Tf-Ti)=m*c*ΔT

ΔU :J
m : masse du système en kg
c : capacité thermique du système en J.kg¯¹.K¯¹ (des fois on l’appelle capacité thermique massique)
ΔT : variation de température en kelvin (K)
Tf : température finale
Ti : température initiale

Il faut que le système soit un corps pur car c n’est pas la même pour l’eau, le béton etc… Donc chaque corps pur a une capacité thermique qui lui est propre.
Si un système mélange deux matériaux différents, on ne peut plus calculer ΔU car on ne pourra pas choisir une valeur de c. Cependant une solution s’offre à nous : si c’est le cas d’un système à 2 matériaux on décompose le système pour créer deux sous-systèmes, ainsi on pourra calculer ΔU1 et ΔU2, chacun représentant un matériaux.
On peut calculer ΔU, pour cela il suffit d’additionner ΔU1 et ΔU2 pour avoir ΔU total.

I.b ΔU : positif ou négatif

  • positif car m est une masse donc positif, c aussi et Tf-Ti aussi positif donc l’énergie interne augmente. Cela revient à dire que la température augmente donc que l’agitation microscopique des molécules augmente (température = l’agitation des particules) comme l’énergie cinétique qui elle aussi augmente .
  • négatif si la température diminue, l’énergie cinétique microscopique diminue entrainant U dans sa chute d’énergie et donc ΔU est au final négatif.

I.c Exemple :

Un frigo permet à un morceau de viande de 2kg de passer de 20°C à seulement 4°C, combien d’énergie est absorbée par le frigo ?

∑ {viande}  → on considère que la viande est un corps pur et que sa capacité thermique est celle de l’eau, bien sûr cela est simplifié pour comprendre le calcul.

ΔU= m*c* ΔT
=  2*4185*(-16)
= – 130kJ
avec ΔT = Tf-Ti soit 4-20 = (-16)

Donc l’énergie perdue par le système {viande} est absorbée par le frigo.

II. La notion de travail :

Noté W, c’est une force qui est exercée sur un système et qui lui permet de modifier son énergie interne.

Prenons un exemple pour expliquer cette force…
Lors d’une descente de piste au ski, il y a frottement entre les skis et la neige, donc il existe des forces de frottement ce qui provoque une augmentation de température (car l’agitation microscopique augmente) ainsi qu’un changement d’état, faisant passer la neige (eau solide) en eau liquide ce qui facilite la glisse.
Cette augmentation de température provient du travail des forces de frottement qui elles-mêmes proviennent des pertes d’énergie mécanique au cours de la descente.
Ce qui nous amène à en déduire qu’il y a eu un transfert d’énergie mécanique vers une augmentation de l’énergie interne de la glace.