La thermodynamique au programme de Terminale couvre le premier principe, les bilans énergétiques et les transferts thermiques. Ces notions sont fréquemment au bac Physique-Chimie.
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L'énergie totale d'un système isolé se conserve. Pour un système fermé : \DeltaU = W + Q, où \DeltaU est la variation d'énergie interne, W le travail reçu par le système et Q la chaleur reçue. L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, seulement transférée ou convertie.
Question probable
Un gaz reçoit un travail de 500 J et cède 200 J de chaleur à l'extérieur. Calculer la variation d'énergie interne.
Réponse
→\DeltaU = W + Q. W = +500 J (reçu par le gaz). Q = −200 J (cédé, donc sortant, signe négatif). \DeltaU = 500 + (−200) = 300 J. L'énergie interne du gaz augmente de 300 J (il se réchauffe).
Mnémotechnique
\DeltaU = W + Q. Reçu = positif (+), cédé = négatif (−). "Delta U = travail + chaleur reçus." Signe : algébrique selon le point de vue du système.
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PHY
L'énergie interne
Définition
L'énergie interne U est l'énergie microscopique totale d'un système : somme des énergies cinétiques (agitation thermique) et potentielles d'interaction des particules. Pour un gaz parfait monoatomique : U = (3/2)·n·R·T. U augmente avec la température.
Question probable
Expliquer pourquoi l'énergie interne d'un gaz parfait ne dépend que de sa température.
Réponse
→Dans un gaz parfait, on suppose que les interactions entre molécules sont négligeables. L'énergie interne est donc uniquement l'énergie cinétique d'agitation thermique : U = (3/2)nRT pour un gaz monoatomique. Aucune énergie potentielle d'interaction n'entre en jeu. Seule la température T détermine U (pas le volume ni la pression).
Mnémotechnique
Gaz parfait : U = f(T) uniquement. U = (3/2)nRT (monoatomique). U = (5/2)nRT (diatomique). T monte → U monte.
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PHY
La capacité calorifique
Définition
La capacité calorifique C est la quantité d'énergie thermique nécessaire pour élever la température d'un corps d'1 K (ou 1°C). Q = m⋅c⋅\DeltaT, où m est la masse, c la capacité thermique massique (J·kg⁻^1·K⁻^1) et \DeltaT la variation de température. C dépend de la nature du corps.
Question probable
Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 500 g d'eau de 20°C à 100°C (c_eau = 4 180 J·kg⁻^1·K⁻^1).
Réponse
→Q = m⋅c⋅\DeltaT = 0,500 × 4 180 × (100 − 20) = 0,500 × 4 180 × 80 = 167 200 J = 167,2 kJ. C'est l'énergie minimum pour porter l'eau à ébullition. La chaleur latente de vaporisation est en plus nécessaire pour la vaporisation.
Mnémotechnique
Q = m⋅c⋅\DeltaT. Mc Delta T. "Mange Ces Délices Thermiques." c de l'eau ≈ 4 200 J·kg⁻^1·K⁻^1 (facile à mémoriser).
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PHY
Les transferts thermiques
Définition
Trois modes de transfert thermique : conduction (par contact, dans les solides), convection (par mouvement de fluide), rayonnement (par ondes électromagnétiques, sans milieu matériel). La chaleur se transfère spontanément du corps chaud vers le corps froid.
Question probable
Expliquer les trois modes de transfert thermique avec un exemple pour chacun.
Réponse
→1. Conduction : transfert par vibrations atomiques successives sans déplacement de matière. Exemple : manche d'une casserole qui chauffe. 2. Convection : transfert par déplacement de matière (fluide chaud moins dense monte). Exemple : radiateur chauffant une pièce par l'air. 3. Rayonnement : transfert par ondes électromagnétiques (infrarouge). Exemple : chaleur du Soleil reçue sur Terre à travers le vide.
Pour un système en interaction avec son environnement, le bilan énergétique s'écrit : \DeltaU = Q + W. Pour un système en régime permanent (température constante), \DeltaU = 0 → W = −Q. L'analyse des bilans d'énergie est centrale dans les problèmes de thermodynamique au bac.
Question probable
Un moteur thermique reçoit une chaleur Q₁ = 1000 J de la source chaude, effectue un travail W = 400 J et cède Q₂ à la source froide. Calculer Q₂ et le rendement.
Réponse
→Premier principe : \DeltaU = 0 (cycle) → Q₁ + Q₂ − W = 0 (en convention moteur W fourni positif). Q₂ = W − Q₁ = 400 − 1000 = −600 J (cédé à la source froide, valeur absolue 600 J). Rendement : η = W/Q₁ = 400/1000 = 0,4 = 40%. Le rendement de Carnot serait maximal et supérieur à 40%.
Mnémotechnique
Cycle : \DeltaU = 0. Rendement η = W/Q_chaud. "Travail utile / Énergie reçue." η < 1 toujours (2e principe).
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