les lois de la thermodynamique sont trompeusement simples à énoncer, mais leurs conséquences sont profondes. La première loi affirme que si la chaleur est reconnu comme une forme d’énergie, alors l’énergie totale d’un système et de ses environs est conservée; en d’autres termes, l’énergie totale de l’univers reste constante.
la première loi est mise en action en considérant le flux d’énergie à travers la frontière séparant un système de son environnement., Considérons l’exemple classique d’un gaz enfermé dans un cylindre avec un piston mobile. Les parois du cylindre agissent comme la limite séparant le gaz à l’intérieur du monde extérieur, et le piston mobile fournit un mécanisme pour que le gaz fonctionne en se dilatant contre la force maintenant le piston (supposé sans frottement) en place. Si le gaz fonctionne W lorsqu’il se dilate et/ou absorbe la chaleur Q de son environnement à travers les parois du cylindre, cela correspond à un flux net D’énergie W − Q à travers la limite vers l’environnement., Afin de conserver l’énergie totale U, il doit y avoir un changement de contrepoids ΔU = Q − W (1) dans l’énergie interne du gaz. La première loi prévoit une sorte de système de comptabilité énergétique strict dans lequel la variation du compte énergétique (ΔU) est égale à la différence entre les dépôts (Q) et les retraits (W).
Il existe une distinction importante entre la quantité ΔU et les quantités d’énergie associées Q et W., Étant donné que L’énergie interne U est entièrement caractérisée par les quantités (ou paramètres) qui déterminent de manière unique l’état du système à l’équilibre, on dit qu’il s’agit d’une fonction d’état telle que tout changement d’énergie est entièrement déterminé par les états initial (i) et final (f) du système: ΔU = Uf − Ui. Cependant, Q et W ne sont pas des fonctions d’état. Tout comme dans l’exemple d’un ballon d’éclatement, le gaz à l’intérieur peut ne pas faire de travail du tout pour atteindre son état final expansé, ou il pourrait faire un travail maximum en se dilatant à l’intérieur d’un cylindre avec un piston mobile pour atteindre le même état final., Tout ce qui est requis est que le changement d’énergie (ΔU) reste le même. Par analogie, le même changement dans son compte bancaire pourrait être réalisé par de nombreuses combinaisons différentes de dépôts et de retraits. Ainsi, Q et W ne sont pas des fonctions d’état, car leurs valeurs dépendent du processus particulier (ou chemin) reliant les mêmes états initial et final. Tout comme il est plus significatif de parler du solde de son compte bancaire que de son contenu de dépôt ou de retrait, il est seulement significatif de parler de l’énergie interne d’un système et non de son contenu de chaleur ou de travail.,
d’un point de vue mathématique formel, le changement incrémental dU dans l’énergie interne est une différentielle exacte (voir équation différentielle), alors que les changements incrémentaux correspondants d’Q et d’W dans la chaleur et le travail ne le sont pas, car les intégrales définies de ces grandeurs dépendent du chemin. Ces concepts peuvent être utilisés à grand avantage dans une formulation mathématique précise de la thermodynamique (voir ci-dessous propriétés et relations thermodynamiques).,
Moteurs thermiques
l’exemple classique d’un moteur thermique est une machine à vapeur, bien que tous les moteurs modernes suivent les mêmes principes. Les machines à vapeur fonctionnent de manière cyclique, le piston se déplaçant de haut en bas une fois pour chaque cycle. La vapeur chaude à haute pression est admise dans le cylindre dans la première moitié de chaque cycle, puis elle est autorisée à s’échapper à nouveau dans la seconde moitié. L’effet global est de prendre la chaleur Q1 générée par la combustion d’un carburant pour faire de la vapeur, convertir une partie de celui-ci pour faire du travail, et d’évacuer la chaleur restante Q2 dans l’environnement à une température plus basse., L’énergie thermique nette absorbée est alors Q = Q1-Q2. Puisque le moteur revient à son état initial, son énergie interne U ne change pas (ΔU = 0). Ainsi, par la première loi de la thermodynamique, le travail effectué pour chaque cycle complet doit être W = T1 − T2. En d’autres termes, le travail effectué pour chaque cycle complet est juste la différence entre la chaleur Q1 absorbé par le moteur à une température élevée et la chaleur Q2 saturée à une température inférieure. La puissance de la thermodynamique est que cette conclusion est complètement indépendante du mécanisme de travail détaillé du moteur., Il repose uniquement sur la conservation globale de l’énergie, la chaleur étant considérée comme une forme d’énergie.
afin d’économiser de l’argent sur le carburant et d’éviter de contaminer l’environnement avec la chaleur perdue, Les moteurs sont conçus pour maximiser la conversion de la chaleur absorbée Q1 en travail utile et pour minimiser la chaleur perdue Q2. L’efficacité Carnot (η) d’un moteur est définie comme le rapport W/Q1—c’est-à-dire la fraction de Q1 convertie en travail., Puisque W = Q1-Q2, l’efficacité peut également être exprimée sous la forme 
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S’il n’y avait pas de chaleur perdue du tout, alors Q2 = 0 et η = 1, correspondant à 100% d’efficacité. Bien que la réduction du frottement dans un moteur diminue la chaleur perdue, elle ne peut jamais être éliminée; par conséquent, il y a une limite sur la taille de Q2 et donc sur la taille de l’efficacité. Cette limitation est une loi fondamentale de la nature—en fait, la deuxième loi de la thermodynamique (voir ci-dessous).