Spécialité Terminale
Thermodynamique
Premier principe, transferts thermiques, capacité thermique et bilans énergétiques.
L'énergie interne
L'énergie interne U d'un système est la somme des énergies cinétiques et potentielles microscopiques de toutes les particules qui le composent.
Énergie cinétique microscopique
Liée à l'agitation thermique des molécules. Augmente avec la température.
Énergie potentielle microscopique
Liée aux interactions entre les molécules. Dépend de l'état (solide, liquide, gaz).
L'énergie interne est une fonction d'état : elle ne dépend que de l'état du système, pas de son histoire.
Premier principe de la thermodynamique
Le premier principe traduit la conservation de l'énergie : la variation d'énergie interne égale la somme des transferts d'énergie.
ΔU = W + Q
ΔU : variation d'énergie interne (J)
W : travail des forces extérieures (J)
Q : transfert thermique (J)
Travail W
Énergie transférée par des forces mécaniques (compression, détente...).
W > 0 : système reçoit de l'énergie
Transfert thermique Q
Énergie transférée par différence de température (chaleur).
Q > 0 : système reçoit de la chaleur
Capacité thermique
La capacité thermique massique c caractérise l'aptitude d'un corps à stocker de l'énergie thermique.
Transfert thermique lors d'un changement de température :
Q = m·c·ΔT
Q en Joules (J)
m en kilogrammes (kg)
c en J·kg⁻¹·K⁻¹
ΔT = Tf - Ti en K ou °C
Valeurs usuelles de c
- • Eau liquide : 4180 J·kg⁻¹·K⁻¹ (très élevé !)
- • Glace : 2090 J·kg⁻¹·K⁻¹
- • Aluminium : 897 J·kg⁻¹·K⁻¹
- • Fer : 444 J·kg⁻¹·K⁻¹
Modes de transfert thermique
Conduction
Transfert de proche en proche dans un milieu matériel immobile. Prédominant dans les solides.
Ex : cuillère chaude dans un café
Convection
Transfert par mouvement de matiere (fluides en mouvement).
Ex : chauffage d'une pièce par radiateur
Rayonnement
Transfert par ondes électromagnétiques. Seul mode possible dans le vide.
Ex : chaleur du Soleil
Bilan énergétique
Pour un système thermiquement isolé, l'énergie totale se conserve : ce qui est perdu par un corps est gagné par l'autre.
Système isolé (aucune perte) :
Q₁ + Q₂ = 0
m₁·c₁·(Tf - T₁) + m₂·c₂·(Tf - T₂) = 0
Méthode de résolution
- Identifier le système et vérifier s'il est isolé
- Écrire les transferts thermiques Q₁ et Q₂
- Appliquer la conservation : ΣQ = 0
- Résoudre pour trouver Tf ou les masses
Exercice type BAC
On mélange 200 g d'eau à 80°C avec 300 g d'eau à 20°C dans un calorimètre parfaitement isolé. Calculer la température finale d'équilibre. (c = 4180 J·kg⁻¹·K⁻¹)
Solution
Système isolé : Q₁ + Q₂ = 0
m₁c(Tf - T₁) + m₂c(Tf - T₂) = 0
0,2 × 4180 × (Tf - 80) + 0,3 × 4180 × (Tf - 20) = 0
836(Tf - 80) + 1254(Tf - 20) = 0
2090·Tf = 836×80 + 1254×20 = 91960
Tf = 44°C
À retenir pour le BAC
- Premier principe : ΔU = W + Q (conservation de l'énergie)
- Q = m·c·ΔT — transfert thermique sans changement d'état
- 3 modes de transfert : conduction, convection, rayonnement
- Système isolé : ΣQ = 0
