14. Bilans d'énergie — premier principe de la thermodynamique
Fiche de révision — Bac spécialité physique-chimie • mrnasri.com
- Définir l'énergie interne d'un système
- Énoncer et appliquer le premier principe : ΔU = Q + W
- Distinguer transfert thermique et travail
- Calculer une variation d'énergie pour un changement d'état
I. Énergie interne U
L'énergie interne U d'un système est la somme des énergies cinétique microscopique (agitation des particules) et potentielle d'interaction entre particules.
Pour un système incompressible, ΔU dépend principalement de la température : ΔU = m·c·ΔT.
II. Premier principe de la thermodynamique
Convention : Q et W sont positifs si l'énergie est reçue par le système, négatifs si elle est cédée.
III. Transferts thermiques
- Conduction : transfert dans un solide (par contact).
- Convection : transfert dans un fluide (déplacement de matière).
- Rayonnement : transfert par ondes électromagnétiques (lumière, IR).
IV. Énergie de changement d'état
Lors d'un changement d'état à température constante, l'énergie échangée s'écrit :
Exemples : L_fusion(glace) ≈ 334 kJ/kg ; L_vap(eau) ≈ 2 257 kJ/kg.
V. Flux thermique à travers une paroi
VI. Exemple type Bac
Énoncé. On chauffe 500 g d'eau de 20 °C à 80 °C. c_eau = 4 185 J·kg⁻¹·K⁻¹.
1) Calculer ΔU.
ΔU = 0,500 × 4 185 × (80 − 20) = 125 550 J ≈ 126 kJ.
2) Si l'eau est isolée thermiquement (W = 0), interpréter ΔU = Q.
Tout l'apport est sous forme thermique : Q = 126 kJ (positif, reçu).
⚠ Erreurs fréquentes à éviter
- Confondre Q (chaleur, processus) et U (état du système).
- Oublier la convention de signe (reçu = +, cédé = −).
- Oublier d'utiliser ΔT en kelvins (mais ici ΔT en K = ΔT en °C).
- Confondre énergie de changement d'état (m·L) et de variation de température (m·c·ΔT).
★ À retenir absolument
• ΔU = Q + W (premier principe)
• ΔU = m·c·ΔT • Q = m·L (changement d'état)
• Transferts : conduction, convection, rayonnement
• Convention : reçu = +, cédé = −