Étude des systèmes ouverts
Thermodynamique appliquée - Premier principe. Énergie. Enthalpie

La thermodynamique est l’une des sciences fondamentales. Elle est applicable dans un très grand nombre de situations, que ce soit dans le domaine de la mécanique, celui de la physique ou celui de la chimie. Elle permet d’analyser les transformations de systèmes aussi divers que des moteurs ou des corps en réactions chimiques, voire même des êtres vivants, en relation avec leurs échanges de matière et d’énergie avec l’environnement. Plus particulièrement, il est possible d’affirmer que cette science est à la base de l’énergétique, puisqu’elle sert à décrire et à analyser le fonctionnement des systèmes énergétiques et d’en rechercher les fonctionnements optimisés.

L’objectif des paragraphes qui lui sont consacrés dans cet article n’est pas d’en faire une présentation exhaustive, mais d’en décrire le formalisme utilisable pour analyser les problèmes en prise directe avec les systèmes énergétiques tels que les machines thermiques et les échangeurs de chaleur notamment, voire leur accouplement. Cet objectif exclut, entre autres, les aspects chimiques de la thermodynamique pourtant utiles dans les études sur la combustion par exemple. Le lecteur qui s’intéresse à ces problèmes trouvera la présentation correspondante dans les articles « Thermodynamique chimique » du traité Physique énergétique.

Le premier principe de la thermodynamique est à la fois un principe d’équivalence et un principe de conservation. En effet, il stipule, d’une part, que toutes les énergies sont équivalentes sur le plan quantitatif, en particulier l’énergie thermique et l’énergie mécanique, d’autre part, que globalement l’énergie se conserve : elle ne peut ni être créée, ni être détruite, ce qui implique que tout échange d’énergie entre un système et son environnement doit se traduire par une variation en quantité égale de l’énergie contenue dans le système. En revanche ce principe autorise et permet d’étudier les transformations d’un type d’énergie en un autre type d’énergie à l’aide de systèmes particuliers que sont les machines électriques (moteur ou alternateur – énergie électrique/énergie mécanique), les machines thermiques (moteurs, turbines, machines frigorifiques, pompes à chaleur – énergie thermique /énergie mécanique ou électrique), etc. Par opposition au premier principe, le deuxième principe de la thermodynamique met en évidence une différence de qualité entre les diverses formes d’énergie.

Après le rappel d’un certain nombre de définitions, indispensables à une bonne compréhension de l’exposé, cet article montre comment le principe de conservation de l’énergie découle du principe (plus ancien) d’équivalence et débouche sur un concept très large. Dans une troisième partie, on se concentre sur les transformations thermomécaniques des systèmes fermés (sans échange de matière avec l’environnement) et on s’attache, plus particulièrement, à associer des principes classiques en mécanique (principe de l’énergie cinétique) au principe de conservation de l’énergie. La notion d’enthalpie, capitale en matière de thermodynamique technique, est introduite. Enfin, la dernière partie traite des systèmes ouverts et des bilans d’énergie et d’enthalpie associés à ce concept qui est le fondement des études des systèmes thermiques.