Premier principe de la thermodynamique en Terminale
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de premier principe de la thermodynamique pour les élèves de Terminale. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
Ce que tu vas réviser
- Variables d'état : pression, volume, température, quantité de matière
- Équation d'état du gaz parfait PV = nRT
- Énergie interne d'un gaz parfait
- Transformations thermodynamiques : isotherme, isobare, isochore
- Premier principe : ΔU = W + Q
- Travail des forces de pression, transfert thermique
- Modes de transfert : conduction, convection, rayonnement
- Flux et résistance thermique
- Bilan enthalpique d'une transformation chimique
Premier principe de la thermodynamique
Le premier principe énonce que la variation d'énergie interne d'un système est égale à la somme du travail et du transfert thermique reçus. C'est une loi de conservation de l'énergie appliquée à la thermodynamique.
Exemple
Quand tu gonfles un ballon avec une pompe, tu fournis du travail mécanique. Le ballon s'échauffe : son énergie interne augmente.
À retenir : $\Delta U = W + Q$ où $\Delta U$ est la variation d'énergie interne, $W$ le travail reçu et $Q$ la chaleur reçue.
Travail des forces de pression
Le travail des forces de pression est l'énergie échangée lors d'une compression ou d'une détente d'un gaz. Il dépend de la pression et de la variation de volume.
Exemple
Quand tu appuies sur le piston d'une seringue remplie d'air, tu effectues un travail de compression sur le gaz.
À retenir : $W = -P \times \Delta V$ où $P$ est la pression et $\Delta V$ la variation de volume (négatif si compression).
Transfert thermique et échanges de chaleur
Le transfert thermique est le passage d'énergie sous forme de chaleur d'un corps chaud vers un corps froid. La chaleur $Q$ est positive si le système la reçoit, négative s'il la cède.
Exemple
Un café chaud dans une tasse refroidit progressivement en cédant de la chaleur à l'air ambiant.
À retenir : La chaleur s'écoule toujours du chaud vers le froid jusqu'à l'équilibre thermique.
Conduction, convection et rayonnement
Ce sont les trois modes de transfert thermique. La conduction se fait par contact direct, la convection par déplacement de fluide, et le rayonnement par ondes électromagnétiques sans besoin de matière.
Exemple
Une casserole sur le feu : conduction à travers le métal, convection de l'eau qui bout, rayonnement du feu vers la casserole.
À retenir : Conduction = contact direct, convection = mouvement de fluide, rayonnement = ondes sans matière.
Flux thermique et résistance thermique
Le flux thermique est la quantité de chaleur transférée par unité de temps. La résistance thermique mesure l'opposition au passage de la chaleur, comme une résistance électrique s'oppose au courant.
Exemple
Une maison bien isolée a une grande résistance thermique : peu de chaleur s'échappe en hiver.
À retenir : $\Phi = \frac{\Delta T}{R_{th}}$ où $\Phi$ est le flux en watts, $\Delta T$ la différence de température et $R_{th}$ la résistance thermique.
Bilan enthalpique d'une transformation chimique
L'enthalpie $H$ mesure l'énergie totale d'un système. Pour une réaction chimique, la variation d'enthalpie $\Delta H$ représente la chaleur échangée à pression constante.
Exemple
Quand tu brûles du bois, la réaction chimique libère de la chaleur : c'est une réaction exothermique avec $\Delta H < 0$.
À retenir : $\Delta H = H_{produits} - H_{réactifs}$ ; $\Delta H < 0$ pour une réaction exothermique (libère de la chaleur).
Les points clés
- Le premier principe est une loi universelle de conservation de l'énergie : aucune énergie ne disparaît, elle se transforme.
- Le travail et la chaleur sont deux formes d'échange d'énergie ; seule la variation d'énergie interne a un sens physique.
- Les trois modes de transfert thermique (conduction, convection, rayonnement) peuvent agir simultanément dans la réalité.
- La résistance thermique est l'analogue thermique de la résistance électrique : elle s'oppose au flux de chaleur.
- Une réaction exothermique ($\Delta H < 0$) libère de la chaleur ; une réaction endothermique ($\Delta H > 0$) en absorbe.
L'essentiel
Le premier principe $\Delta U = W + Q$ exprime que l'énergie interne d'un système varie uniquement par échange de travail et de chaleur avec l'extérieur.
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Un gaz subit une compression isobare (à pression constante) de 2 L à 0,5 L sous une pression de 100 kPa. Simultanément, le gaz cède 150 J de chaleur. Calcule la variation d'énergie interne du gaz.
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Une réaction chimique exothermique libère 500 kJ à pression constante. Détermine le signe et la valeur de $\Delta H$ pour cette réaction. Explique ce que cela signifie physiquement.
Corrige cet exercice avec le tuteur →