📘 Fiche de cours
L'essentiel du cours
L'énergie interne ($U$) d'un système représente l'énergie accumulée au niveau microscopique (agitation des molécules).
1. Le premier principe de la thermodynamique : Lorsqu'un système subit une transformation, son énergie interne change. Cette variation $\Delta U$ est la somme du travail ($W$) et de la chaleur ($Q$) échangés avec le milieu extérieur : $$\Delta U = W + Q$$
- $W$ : Travail reçu par le système (en Joules $J$).
- $Q$ : Chaleur reçue par le système (en Joules $J$).
2. Transfert thermique (Chaleur) : Lorsqu'un corps change de température sans changer d'état, la quantité de chaleur $Q$ échangée est donnée par : $$Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i)$$ Où :
- $m$ : masse du corps (en $kg$).
- $c$ : capacité thermique massique (en $J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$ ou $J \cdot kg^{-1} \cdot ^\circ C^{-1}$).
- $T_i$ : température initiale (en $^\circ C$ ou $K$).
- $T_f$ : température finale (en $^\circ C$ ou $K$).
3. Capacité thermique : La capacité thermique $C$ d'un corps est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter sa température de $1^\circ C$ : $$C = m \cdot c$$ L'expression de la chaleur devient alors : $Q = C \cdot \Delta T$.
4. Équilibre thermique : Lorsque deux corps de températures différentes sont mis en contact, ils échangent de la chaleur jusqu'à ce que leurs températures soient égales ($T_{eq}$). À l'équilibre : $$\sum Q = 0 \implies Q_{gagnée} + Q_{perdue} = 0$$
Méthodes à maîtriser
- Calculer une variation d'énergie interne : Identifier si le système reçoit ou fournit du travail/chaleur, puis appliquer $\Delta U = W + Q$.
- Calculer la chaleur nécessaire pour chauffer un corps : Isoler $Q$ dans la formule $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$.
- Déterminer la température finale d'un mélange (Calorimétrie) :
- Écrire l'équation de conservation : $Q_1 + Q_2 + ... = 0$.
- Remplacer chaque $Q$ par $m \cdot c \cdot (T_{eq} - T_{initial})$.
- Résoudre l'équation pour trouver $T_{eq}$.
Exemples corrigés
Exemple 1 : On chauffe $0,5\text{ kg}$ d'eau ($c = 4180\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$) de $20^\circ\text{C}$ à $80^\circ\text{C}$. Calculer $Q$. Solution :
- $\Delta T = T_f - T_i = 80 - 20 = 60^\circ\text{C}$.
- $Q = m \cdot c \cdot \Delta T = 0,5 \times 4180 \times 60$.
- $Q = 125,400\text{ J}$.
Exemple 2 : Un système reçoit $500\text{ J}$ de travail et dégage $200\text{ J}$ de chaleur. Calculer $\Delta U$. Solution :
- $W = +500\text{ J}$ (reçu).
- $Q = -200\text{ J}$ (dégagé).
- $\Delta U = 500 + (-200) = 300\text{ J}$.
Erreurs fréquentes
- Confusion des signes : Si le système cède de la chaleur ou du travail, la valeur doit être négative dans le calcul de $\Delta U$.
- Unités de masse : Oublier de convertir les grammes ($g$) en kilogrammes ($kg$) avant d'utiliser $c$ en $J\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}$.
- Confusion $c$ et $C$ : $c$ est pour $1\text{ kg}$ (massique), $C$ est pour l'objet entier (capacité).