Thermodynamique et énergie en Terminale
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de thermodynamique et énergie pour les élèves de Terminale. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
Ce que tu vas réviser
- Transferts thermiques (conduction, convection, rayonnement)
- Premier et deuxième principe de la thermodynamique
- Machines thermiques et rendement de Carnot
- Bilan énergétique et diagrammes
Les trois modes de transfert thermique
La chaleur se propage de trois façons différentes : par conduction (à travers un matériau), par convection (via un fluide en mouvement) et par rayonnement (ondes électromagnétiques). Chaque mode fonctionne selon des principes physiques distincts.
Exemple
Quand tu touches une casserole chaude, c'est la conduction. L'air chaud qui monte au-dessus d'un radiateur, c'est la convection. Le soleil qui te réchauffe à distance, c'est le rayonnement.
À retenir : La conduction nécessite un contact direct, la convection un fluide en mouvement, le rayonnement aucun support matériel.
Premier principe de la thermodynamique
L'énergie ne se crée ni ne se détruit, elle se transforme. Pour un système, la variation d'énergie interne égale la chaleur reçue moins le travail fourni par le système.
Exemple
Un gaz dans un cylindre avec un piston : si tu le chauffes, son énergie interne augmente et il peut pousser le piston (travail). L'énergie fournie par la chaleur se répartit entre ces deux formes.
À retenir : $\Delta U = Q - W$ où U est l'énergie interne, Q la chaleur reçue, W le travail fourni par le système.
Deuxième principe de la thermodynamique
L'entropie (désordre) d'un système isolé augmente toujours. Cela signifie que les transformations spontanées vont dans le sens d'une augmentation du désordre, et qu'aucune machine ne peut transformer intégralement la chaleur en travail.
Exemple
Un glaçon fond spontanément dans un verre d'eau chaude, mais l'inverse ne se produit jamais. La chaleur s'écoule naturellement du chaud vers le froid, pas l'inverse.
À retenir : L'entropie d'un système isolé augmente toujours : les transformations spontanées sont irréversibles.
Machines thermiques et rendement
Une machine thermique convertit la chaleur en travail utile. Son rendement est le rapport entre le travail produit et la chaleur absorbée. Aucune machine réelle ne peut atteindre un rendement de 100 pourcent.
Exemple
Un moteur de voiture : il absorbe la chaleur de la combustion, en produit du travail (mouvement), mais rejette aussi de la chaleur par l'échappement et le radiateur. Son rendement est environ 30 pourcent.
À retenir : $\eta = \frac{W}{Q_{abs}} = \frac{Q_{abs} - Q_{rejet}}{Q_{abs}}$ et toujours $\eta < 1$.
Bilan énergétique et diagrammes
Un bilan énergétique recense toutes les énergies entrantes et sortantes d'un système. Les diagrammes (Sankey, flux) visualisent ces transferts et transformations pour vérifier la conservation de l'énergie.
Exemple
Pour un radiateur électrique : l'énergie électrique entrante se transforme intégralement en chaleur rayonnée et convectée. Un diagramme montre cette répartition entre les trois modes de transfert.
À retenir : Énergie entrante = Énergie sortante + Variation d'énergie interne du système.
Conduction thermique et loi de Fourier
La conduction est le transfert de chaleur à travers un matériau sans déplacement de matière. La quantité de chaleur transférée dépend de la conductivité thermique du matériau, de sa surface et de la différence de température.
Exemple
Une cuillère en métal dans une tasse de thé chaud : la chaleur remonte progressivement le long de la cuillère par conduction. Un matériau isolant comme le bois conduirait beaucoup moins bien.
À retenir : $\Phi = \lambda \cdot S \cdot \frac{\Delta T}{e}$ où Phi est le flux thermique, lambda la conductivité, S la surface, e l'épaisseur.
Convection thermique et transfert de fluide
La convection est le transfert de chaleur par déplacement d'un fluide (liquide ou gaz). Les parties chaudes montent, les parties froides descendent, créant une circulation qui propage la chaleur.
Exemple
L'eau dans une casserole sur le feu : l'eau chaude du fond monte, l'eau froide du haut descend, créant une circulation qui réchauffe toute l'eau. C'est aussi ce qui se passe dans l'atmosphère avec les courants d'air.
À retenir : La convection nécessite un mouvement de fluide et est plus efficace que la conduction pour transférer de grandes quantités de chaleur.
Rayonnement thermique et loi de Stefan
Le rayonnement est l'émission d'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques. Tout corps à température non nulle émet du rayonnement. La puissance rayonnée dépend de la température et de la surface.
Exemple
Un four chaud qui te réchauffe même sans contact, une ampoule incandescente qui brille, le soleil qui nous envoie de l'énergie à travers le vide spatial : tout cela fonctionne par rayonnement.
À retenir : $\Phi = \epsilon \cdot \sigma \cdot S \cdot T^4$ où epsilon est l'émissivité, sigma la constante de Stefan, S la surface, T la température absolue.
Les points clés
- L'énergie se conserve (premier principe) mais le désordre augmente toujours (deuxième principe).
- Aucune machine thermique ne peut convertir 100 pourcent de la chaleur en travail utile.
- Les trois modes de transfert thermique (conduction, convection, rayonnement) coexistent souvent dans les situations réelles.
- Le rendement d'une machine thermique est limité par le deuxième principe et dépend des températures des sources chaude et froide.
- Les diagrammes énergétiques permettent de visualiser et vérifier la conservation de l'énergie dans un système.
L'essentiel
La thermodynamique repose sur deux principes incontournables : l'énergie se conserve, mais l'entropie augmente toujours, ce qui limite l'efficacité de toute machine thermique.
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Un moteur thermique absorbe 1000 J de chaleur d'une source chaude et rejette 700 J vers une source froide. Calcule le travail produit et le rendement du moteur.
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Une paroi de brique a une épaisseur de 20 cm, une surface de 10 m² et une conductivité thermique de 0,8 W/(m·K). La température intérieure est 20°C et l'extérieure est 0°C. Calcule le flux thermique traversant la paroi.
Corrige cet exercice avec le tuteur →