Énergie interne (physique): définition, formule et comment calculer

Lorsque vous pensez au mot «énergie», vous pensez probablement à quelque chose comme l'énergie cinétique d'un objet en mouvement, ou peut-être l'énergie potentielle que quelque chose pourrait posséder en raison de la gravité.

Cependant, à l'échelle microscopique, laénergie interneun objet possède est plus important que ces formes macroscopiques d'énergie. Cette énergie résulte finalement du mouvement des molécules, et elle est généralement plus facile à comprendre et à calculer si l'on considère un système fermé simplifié, comme un gaz parfait.

L'énergie interne est l'énergie totale d'un système fermé de molécules, ou la somme de l'énergie cinétique moléculaire et de l'énergie potentielle dans une substance. Les énergies cinétique et potentielle macroscopiques n'ont pas d'importance pour l'énergie interne - si vous déplacez le système fermé entier ou changer son énergie potentielle gravitationnelle, l'énergie interne reste le même.

Comme on peut s'y attendre pour un système microscopique, le calcul de l'énergie cinétique de la multitude de molécules et de leurs énergies potentielles serait une tâche difficile, voire pratiquement impossible. Ainsi, en pratique, les calculs de l'énergie interne impliquent des moyennes plutôt que le processus laborieux de la calculer directement.

Une simplification particulièrement utile consiste à traiter un gaz comme un « gaz idéal », qui est supposé n'avoir aucune force intermoléculaire et donc essentiellement aucune énergie potentielle. Cela rend le processus de calcul de l'énergie interne du système beaucoup plus simple, et il n'est pas loin d'être précis pour de nombreux gaz.

L'énergie interne est parfois appelée énergie thermique, car la température est essentiellement une mesure de la énergie interne d'un système - elle est définie comme l'énergie cinétique moyenne des molécules du système.

L'équation de l'énergie interne est une fonction d'état, ce qui signifie que sa valeur à un moment donné dépend de l'état du système, et non de la façon dont il y est arrivé. Pour l'énergie interne, l'équation dépend du nombre de moles (ou molécules) dans le système fermé et de sa température en Kelvins.

L'énergie interne d'un gaz parfait a l'une des équations les plus simples :

Oùmest le nombre de moles,Rest la constante universelle des gaz etTest la température du système. La constante de gaz a la valeurR= 8,3145 Jmol⁻¹ K⁻¹, soit environ 8,3 joules par mole par Kelvin. Cela donne une valeur pourUen joules, comme on peut s'y attendre pour une valeur d'énergie, et il est logique que des températures plus élevées et plus de moles de la substance conduisent à une énergie interne plus élevée.

La première loi de la thermodynamique est l'une des équations les plus utiles lorsqu'il s'agit de l'énergie interne, et elle énonce que le changement d'énergie interne d'un système est égal à la chaleur ajoutée au système moins le travail effectué par le système (ou alors,plusle travail faitaule système). En symboles, c'est :

Cette équation est vraiment simple à utiliser à condition de connaître (ou de pouvoir calculer) le transfert de chaleur et le travail effectué. Cependant, de nombreuses situations simplifient encore plus les choses. Dans un processus isotherme, la température est constante, et puisque l'énergie interne est une fonction d'état, vous savez que le changement d'énergie interne est nul. Dans un processus adiabatique, il n'y a pas de transfert de chaleur entre le système et son environnement, donc la valeur deQest 0, et l'équation devient :

Un processus isobare est celui qui se produit à une pression constante, ce qui signifie que le travail effectué est égal à la pression multipliée par le changement de volume :W​ = ​P​∆​V. Les processus isochores se produisent avec un volume constant, et dans ces casW= 0. Cela laisse le changement d'énergie interne égal à la chaleur ajoutée au système :

Même si vous ne pouvez pas simplifier le problème de l'une de ces manières, pour de nombreux processus, aucun travail n'est effectué ou il peut être facilement calculé, donc trouver la quantité de chaleur gagnée ou perdue est la principale chose dont vous aurez besoin pour fais.