La première loi de la thermodynamique stipule que :
« L’énergie totale d’un système isolé n’est ni créée ni détruite ; il ne se transforme que d’une forme à une autre. »
Bien que cette définition puisse sembler abstraite ou technique, elle se reflète constamment dans les phénomènes quotidiens et dans diverses applications technologiques. Pour mieux comprendre, nous allons analyser quelques exemples pratiques.
Dans tous ces cas, rappelons que la chaleur, l’énergie et le travail sont mesurés en Joules (J) selon le Système International d’Unités.
1. Conserver l’énergie dans une balle lancée en l’air
Lorsqu’un enfant lance une balle en l’air, deux principaux types d’énergie sont impliqués : le potentiel cinétique et le potentiel gravitationnel.
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Lorsqu’elle quitte les mains de l’enfant, la balle dégage une énergie cinétique grâce à sa vitesse. À cet instant, son énergie potentielle est minimale car il n’a pas encore atteint sa hauteur.
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Au fur et à mesure qu’il monte, la vitesse diminue et prend de l’altitude : l’énergie cinétique se transforme en énergie potentielle.
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Au point le plus élevé, la balle ne contient que de l’énergie potentielle.
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En descendant, l’énergie potentielle est reconvertie en énergie cinétique, accélérant vers le sol.
Dans ce processus, l’énergie totale du système (ballon + Terre) reste constante, tant que l’on ignore les pertes dues au frottement avec l’air.
2. Machines à vapeur
Considérons une locomotive à vapeur :
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L’énergie initiale provient du combustible (charbon), qui stocke l’énergie chimique.
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Lorsque le charbon est brûlé, cette énergie chimique est convertie en énergie thermique, chauffant l’eau dans la chaudière.
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La vapeur générée entraîne les pistons, transformant l’énergie thermique en énergie mécanique.
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La locomotive acquiert de l’énergie cinétique en se déplaçant.
Cependant, le système n’est pas complètement isolé ; Il y a des pertes :
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Fumée et vapeur s’échappant dans l’environnement.
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Friction entre pistons et roues, et avec la chenille.
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Perte de chaleur vers l’air environnant.
Cet exemple illustre que l’énergie ne disparaît pas, mais est dissipée ou transformée en formes moins utiles, remplissant ainsi la première loi.
3. Énergie solaire : photovoltaïque et thermique
Le Soleil est une source constante d’énergie. Ses atomes contiennent de l’énergie interne, libérée par des réactions de fusion nucléaire, qui produisent un rayonnement solaire.
Lorsque ce rayonnement atteint la Terre :
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Les panneaux solaires photovoltaïques convertissent une partie de cette énergie en électricité.
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Les panneaux solaires thermiques transforment l’énergie en chaleur pour l’eau ou le chauffage.
Cependant, le rendement n’est jamais à 100 % :
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Une partie de cette énergie est perdue sous forme de chaleur gaspillée.
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Une autre partie est réfléchie ou dispersée dans l’atmosphère.
Pourtant, l’énergie totale est toujours conservée, conformément à la première loi.
4. Un réfrigérateur
Un réfrigérateur ne produit pas de froid, mais transporte la chaleur de l’intérieur vers l’extérieur à l’aide d’un cycle thermodynamique :
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Le réfrigérant absorbe la chaleur de l’intérieur du congélateur, abaissant la température interne (énergie thermique transférée).
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Le compresseur effectue un travail mécanique sur le réfrigérant, permettant d’expulser la chaleur vers l’environnement extérieur.
L’énergie électrique consommée est transformée en travail mécanique et en chaleur.
Aucune énergie ne disparaît ; elle n’est redistribuée qu’en respectant la première loi.
5. Une voiture en mouvement
Dans une voiture en mouvement, l’énergie est transformée en continu :
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L’énergie chimique contenue dans le carburant est convertie en énergie thermique lorsqu’il brûle dans le moteur.
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Cette énergie thermique est transformée en énergie mécanique qui fait bouger les roues.
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La friction et la friction convertissent une partie de cette énergie en chaleur, qui est dissipée dans l’environnement.
Là encore, l’énergie totale est conservée, même si elle est répartie de différentes manières.