Première loi de la thermodynamique

Conservation de l’énergie

L’énergie peut être transformée d’une forme à une autre, mais toute l’énergie présente avant qu’une transformation ne se produise existe toujours sous une forme ou une autre une fois la transformation terminée. Cette observation est exprimée par la loi de la conservation de l’énergie : au cours d’une transformation chimique ou physique, l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, bien qu’elle puisse être transformée dans sa forme.

Selon la loi sur la conservation de la matière, il n’y a pas de changement détectable dans la quantité totale de matière pendant une transformation chimique. Lorsque des réactions chimiques se produisent, les changements d’énergie sont relativement modestes et les changements de masse sont trop faibles pour être mesurés. Ainsi, les lois de conservation de la matière et de l’énergie marchent bien. Cependant, dans les réactions nucléaires, les changements énergétiques sont beaucoup plus importants (par des facteurs d’environ un million), les variations de masse sont mesurables et les conversions matière-énergie sont importantes.  

Transfert d’énergie et énergie interne

Les substances agissent comme des réservoirs d’énergie, ce qui signifie que de l’énergie peut leur être ajoutée ou retirée. L’énergie est stockée dans une substance lorsque l’énergie cinétique de ses atomes ou molécules est élevée. La plus grande énergie cinétique peut se présenter sous la forme de translations (déplacements ou mouvements en ligne droite), vibrations ou rotations accrues des atomes ou des molécules. En cas de perte d’énergie thermique, les intensités de ces mouvements diminuent et l’énergie cinétique diminue.  

La somme de tous les types d’énergie possibles qui sont présents dans une substance est appelée énergie interne (U), parfois symbolisée par E.

Lorsqu’un système subit une transformation, son énergie interne peut changer et l’énergie peut être transférée du système vers l’extérieur, ou de l’extérieur au système. Ainsi, l’extérieur connaît également un changement égal et opposé dans son énergie.

L’énergie interne est un exemple de fonction d’état (ou variable d’état), alors que la chaleur et le travail ne sont pas des fonctions d’état. La valeur d’une fonction d’état dépend uniquement de l’état dans lequel se trouve un système et non de la façon dont cet état est atteint. Si une grandeur n’est pas une fonction d’état, sa valeur dépend de la façon dont l’état est atteint. L’altitude, ou la hauteur, est un exemple de fonction d’état. Debout sur le sommet du mont Kilimanjaro à une altitude de 5895 m, peu importe comment il a été atteint, si quelqu’un y est allé en marchant ou s’il a été parachuté là-bas. La distance parcourue jusqu’au sommet du Kilimanjaro, cependant, n’est pas une fonction d’état. On pourrait grimper jusqu’au sommet par un itinéraire direct ou par un chemin plus détourné, ou plus sinueux. Ainsi, les distances parcourues seraient différentes (la distance n’est pas une fonction d’état) ; cependant, la hauteur atteinte serait la même (l’altitude est une fonction d’état).

Ce texte est adapté de OpenStax Chemistry 2e, Section 5.1 : Notions d’énergie et OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3 : Enthalpie.