L'énergie interne U est l'énergie totale du mouvement chaotique (thermique) des microparticules du système et l'énergie potentielle de leur interaction. Contrairement à l'énergie mécanique du corps dans son ensemble, l'énergie interne ne dépend ni de la vitesse ni de la position du corps dans l'espace, mais est déterminée par sa température, son volume et sa composition chimique. Le premier principe de la thermodynamique relie la variation d'énergie interne (ΔU) à la quantité de chaleur transférée (Q) et au travail effectué sur le système (W) : ΔU = Q - W.
Histoire
L'idée que la chaleur est liée au mouvement des particules remonte aux travaux de Benjamin Thompson (comte Rumford) à la fin du XVIIIe siècle, mais la description quantitative a commencé au XIXe siècle. James Joule prouva expérimentalement en 1843 l'équivalence du travail mécanique et de la chaleur. Rudolf Clausius introduisit le concept d'énergie interne en 1850 et formula le premier principe de la thermodynamique. Ludwig Boltzmann développa l'interprétation statistique, reliant l'énergie interne au mouvement microscopique des particules. James Clerk Maxwell et d'autres élaborèrent la théorie cinétique des gaz, qui donna une forme explicite à la dépendance de l'énergie interne en fonction de la température.
Comment ça marche
La variation de l'énergie interne d'un système se produit selon le premier principe de la thermodynamique : ΔU = Q - W, où Q est la chaleur transférée au système, W le travail effectué par le système sur le milieu extérieur. Pour un gaz parfait, l'énergie interne augmente avec la température : les molécules se déplaçant plus vite ont une énergie cinétique plus grande. Lors des transitions de phase (fusion, vaporisation), l'énergie est dépensée pour vaincre les forces intermoléculaires, et non pour élever la température, ce qui donne naissance à la chaleur latente. En thermodynamique des processus irréversibles, la variation locale d'énergie interne est décrite par l'équation de conduction thermique. Concepts étroitement liés : entropie (mesure du désordre), enthalpie (U + pV), énergie libre. Lois : premier principe de la thermodynamique, deuxième principe de la thermodynamique (qui détermine le sens des processus).
En pratique
Comprendre l'énergie interne permet de convertir efficacement la chaleur en travail dans les moteurs et les installations frigorifiques, ainsi que de prédire les réactions chimiques et les transitions de phase.
Anecdote
Même la glace à une température inférieure à zéro possède une énergie interne : les molécules d'eau dans le réseau cristallin continuent de vibrer, et ce n'est qu'au zéro absolu (-273,15 °C) que ce mouvement cesse théoriquement.
Des milliards de minuscules moteurs bourdonnent à l'intérieur de chaque être vivant. Les cellules ne cessent de pomper des substances, de brûler du sucre, de construire de nouvelles protéines – et tout ce mouvement invisible nous réchauffe de l'intérieur.
Dans une casserole de soupe bouillante, les courants bouillonnants transportent la chaleur vers les parois, et la soupe refroidit. Dans un tokamak — une immense bouteille magnétique pour le plasma — il se passe la même chose : les tourbillons de turbulence emportent l'énergie vers l'extérieur, empêchant d'allumer la réaction de fusion.
Une batterie ordinaire de téléphone respire – mais pas avec de l'air, avec son contact. À l'intérieur d'un solide, là où il n'y a pas de liquides, le lithium se presse contre l'électrolyte (la substance qui conduit les ions) lors de la charge, puis s'en écarte lors de la décharge, comme un poumon à l'inspiration et à l'expiration.
L'effet Mpemba surprend : l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide. Des scientifiques ont construit un modèle simple : une bille dans un milieu épais comme du miel, sur un paysage à deux creux et un mur sur le côté. La bille se déplace de manière visqueuse, sans franchir la bosse centrale.
Un fil souple enroulé en anneau a été enfermé dans une petite boîte remplie de liquide. Il peut soit absorber l'eau et gonfler comme une éponge, soit repousser l'humidité et se contracter en une boule serrée. Le choix entre ces états dépend de la présence d'un nœud sur le fil — et de quel nœud il s'agit.
Une cellule, c'est une ville où des moteurs minuscules travaillent sans arrêt. Ils transportent des charges, font battre les cils et contractent les muscles. Tout ce travail dégage de la chaleur, comme un moteur de voiture qui chauffe. Mais mesurer cette chaleur pour un moteur individuel de quelques nanomètres n'est pas une mince affaire.
Dans un congélateur, l'eau ordinaire se transforme en glace, mais dans les cellules vivantes, une telle glace est une catastrophe : les cristaux acérés déchirent les membranes comme des aiguilles percent un ballon de baudruche. Les scientifiques qui préservent des cellules pour la médecine ont appris à éviter ce fléau, mais chaque méthode parle son propre langage.
Dans la danse cosmique, l'énergie noire et la matière noire échangent de l'énergie. Pendant longtemps, l'énergie noire a été considérée comme une force constante accélérant l'univers – une découverte qui a valu le prix Nobel à Adam Riess, Saul Perlmutter et Brian…
L'eau dans un verre refroidit, la glace fond, et la bouilloire chauffe la cuisinière : c'est ainsi que fonctionne le monde, la chaleur va toujours du chaud vers le froid. C'est le deuxième principe de la thermodynamique, une loi qui n'a jamais été violée.
Deux qubits, des bits quantiques, des systèmes à deux niveaux, glissent à travers les bains chaud et froid d'un champ thermique. L'un se déplace à 0,8 fois la vitesse de la lumière. À cet instant, la thermodynamique habituelle se fissure : un qubit en mouvement perçoit la température différemment d'un qubit au repos.
