Première loi de la thermodynamique

Le premier principe de la thermodynamique est un énoncé de la conservation de l'énergie appliqué aux systèmes thermodynamiques : la variation d'énergie interne deltaU est égale à la chaleur Q apportée au système diminuée du travail W effectué par le système sur son environnement, soit deltaU = Q - W. L'énergie interne U représente l'énergie cinétique et potentielle totale de toutes les molécules à l'intérieur des frontières du système ; elle augmente lorsque le système absorbe de la chaleur et diminue lorsque le système repousse une pression extérieure. La convention de signe est physiquement motivée : Q positif signifie que l'énergie entre dans le système (l'environnement est plus chaud que le système), W positif signifie que le système se dilate et fournit du travail vers l'extérieur (par exemple un piston qui repousse l'atmosphère). Pour une détente isotherme d'un gaz parfait, deltaU = 0 car l'énergie interne ne dépend que de la température ; toute la chaleur absorbée se convertit donc directement en travail et Q = W exactement. Pour un processus isochore (à volume constant), aucun travail PdV n'est possible et la totalité de l'apport de chaleur sert à accroître l'énergie interne : une enceinte rigide fermée chauffée de 1 kJ gagne exactement 1 kJ d'énergie interne.

La puissance pratique du premier principe réside dans le fait qu'il s'applique indépendamment du chemin suivi entre deux états : U est une fonction d'état, donc sa variation ne dépend que des conditions initiales et finales, non de la séquence d'étapes parcourues. Cette indépendance au chemin est à la base de la loi de Hess en chimie (l'enthalpie de réaction est additive), de la calorimétrie (une bombe calorimétrique mesure directement deltaU à volume constant) et du bilan énergétique de tout cycle en ingénierie. Pour un cycle thermodynamique complet (le piston revient à son état initial), deltaU net = 0 sur la boucle entière, de sorte que la chaleur nette absorbée doit être égale au travail net fourni. C'est le principe de fonctionnement des moteurs thermiques : un moteur à essence qui effectue chaque cycle de combustion doit rejeter comme chaleur perdue toute chaleur absorbée qu'il n'a pas pu convertir en travail mécanique. Le premier principe seul n'interdit pas un moteur thermique parfait qui convertirait la totalité de la chaleur fournie en travail ; cette restriction est imposée par le second principe, qui ajoute la contrainte entropique et fixe le rendement de Carnot à 1 - T_C/T_H comme plafond de tout cycle réel.