Le premier principe : conservation de l'énergie et énergie interne

Le premier principe de la thermodynamique est une loi de conservation : l'énergie ne se crée ni ne se détruit, elle se transforme et se transfère. Pour un système fermé, il s'écrit Delta U = Q + W, où Delta U est la variation d'énergie interne, Q la chaleur échangée et W le travail échangé, avec la convention du récepteur : Q et W sont comptés positivement quand le système les reçoit, négativement quand il les cède.

L'énergie interne U rassemble l'énergie cinétique microscopique des particules (leur agitation) et leur énergie potentielle d'interaction. C'est une fonction d'état : sa variation entre un état initial et un état final ne dépend que de ces deux états, jamais du chemin suivi pour passer de l'un à l'autre. C'est très différent de Q et de W, qui eux dépendent du chemin parcouru pendant la transformation.

Prenons un exemple concret : un gaz enfermé dans un cylindre reçoit de la chaleur d'une flamme (Q positif) et repousse un piston, donc fournit du travail vers l'extérieur (W négatif dans la convention du récepteur). Si Q = 300 J et que le gaz fournit 120 J, alors W = -120 J et Delta U = 300 - 120 = 180 J : l'énergie interne du gaz augmente de 180 joules.

Piège fréquent : ne confonds pas « le système reçoit du travail » et « le système fournit du travail ». Le signe de W dépend uniquement de la convention choisie, mais une fois choisie, il faut s'y tenir sur tout le calcul. Autre piège : pour un système isolé, aucun échange n'a lieu avec l'extérieur, donc Q = 0 et W = 0, et Delta U = 0 : son énergie interne reste rigoureusement constante.

Le schéma ci-dessous représente ce bilan : le système est délimité par une frontière fictive à travers laquelle transitent la chaleur et le travail, faisant varier son énergie interne.

             (frontiere du systeme)
         ........................
         :                      :
   Q --> :      (systeme)       :
         :      U (energie      :
         :      interne)        :
         :                      :
         ........................
                   ^
                   |
                   W

   Delta U = Q + W    (convention recepteur : positif si recu)