Thermodynamique et premier principe
L'énergie ne disparaît jamais. Elle change juste d'adresse.
Cours
Système et énergie interne
L'énergie interne $U$ d'un système est la somme des énergies microscopiques (cinétique d'agitation + potentielles d'interaction).
Pour un gaz parfait monoatomique : $U = \frac{3}{2}nRT$.
Premier principe
$$\Delta U = Q + W$$
- $Q$ : transfert thermique (chaleur), en J
- $W$ : travail des forces (pression, mécanique), en J
- Signe : reçu par le système → positif. Cédé → négatif.
Capacité thermique
Pour un solide/liquide incompressible : $$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$$
- $c$ : capacité thermique massique (J·kg⁻¹·K⁻¹)
- Eau : c = 4185 J·kg⁻¹·K⁻¹
Modes de transfert thermique
- Conduction : sans déplacement de matière (cuillère dans café chaud)
- Convection : déplacement d'un fluide (radiateur)
- Rayonnement : ondes EM (Soleil)
Flux thermique
$$\Phi = \frac{Q}{\Delta t} \quad (W)$$
Loi de Newton pour un corps de température $T$ dans un milieu à $T_{ext}$ : $$\Phi = h \cdot S \cdot (T - T_{ext})$$
Formules clés
Méthodes
Calculer une durée de chauffage
- 1Calculer Q nécessaire : Q = m·c·ΔT
- 2Utiliser P (puissance) du chauffage : Δt = Q / P
- 3Si pertes : appliquer un rendement η < 1
Astuces & pièges
Convention : ce que le système REÇOIT est positif. Une réaction exothermique cède Q → Q < 0 pour le système réactionnel.
T en kelvin pour les formules de gaz parfait. T(K) = θ(°C) + 273,15.
Teste-toi
1.Pour chauffer 1 kg d'eau de 20°C à 80°C, il faut :
2.Le rayonnement solaire se propage par :
Exercices corrigés
Tu galères ? Normal. Cherche d'abord, regarde le corrigé après.
Quelle énergie pour chauffer 2 L d'eau de 20 °C à 100 °C ? (c = 4180 J·kg⁻¹·K⁻¹, ρ = 1 kg/L)
Un gaz reçoit Q = 500 J et fournit un travail W = −200 J au milieu extérieur. Calculer ΔU.
Un mur (S = 10 m², e = 20 cm, λ = 0,04 W·m⁻¹·K⁻¹) sépare 20 °C et 0 °C. Flux thermique ?
Pour aller plus loin
Vidéos, fiches et exos vérifiés (Maths et tiques, Lumni, Khan Academy, Physagreg…).