📘 Fiche de cours
L'essentiel du cours
L'énergie interne (notée $U$) représente l'énergie totale stockée à l'échelle microscopique d'un système (agitation des molécules, liaisons chimiques, etc.).
1. Le Premier Principe de la Thermodynamique : Lorsqu'un système subit une transformation, son énergie interne varie de $\Delta U$. Cette variation est la somme du travail ($W$) et de la chaleur ($Q$) échangés avec le milieu extérieur : $$\Delta U = W + Q$$
- Si $Q > 0$ : le système reçoit de la chaleur (échauffement).
- Si $Q < 0$ : le système perd de la chaleur (refroidissement).
- Si $W > 0$ : le milieu extérieur fournit un travail au système.
- Si $W < 0$ : le système fournit un travail au milieu extérieur.
2. Transfert thermique (Chaleur) : Pour un corps de masse $m$ dont la température passe de $T_i$ à $T_f$, la chaleur reçue ou cédée est : $$Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i)$$ Où :
- $Q$ est la chaleur en Joules ($J$).
- $m$ est la masse en kilogrammes ($kg$).
- $c$ est la capacité thermique massique en $J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$ (ou $J \cdot kg^{-1} \cdot ^\circ C^{-1}$).
- $T_i$ et $T_f$ sont les températures initiale et finale en $^\circ C$ ou en $K$.
Méthodes à maîtriser
- Calculer la variation d'énergie interne $\Delta U$ : Identifier les valeurs de $W$ et $Q$ (attention aux signes !) et appliquer $\Delta U = W + Q$.
- Calculer la chaleur $Q$ : Utiliser la formule $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$. Bien vérifier que la masse est en $kg$.
- Déterminer une température finale : Isoler $T_f$ dans la formule : $T_f = \frac{Q}{m \cdot c} + T_i$.
- Application du premier principe : Si un système est isolé thermiquement ($Q=0$), alors $\Delta U = W$.
Exemples corrigés
Exemple : On chauffe $0,5\text{ kg}$ d'eau ($c_{eau} = 4180\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$) de $20^\circ\text{C}$ à $60^\circ\text{C}$. On fournit un travail mécanique $W = 100\text{ J}$. Calculer $\Delta U$.
Solution :
- Calcul de la chaleur $Q$ : $Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i) = 0,5 \times 4180 \times (60 - 20)$ $Q = 0,5 \times 4180 \times 40 = 83600\text{ J}$.
- Application du premier principe : $\Delta U = W + Q = 100 + 83600 = 83700\text{ J}$.
Erreurs fréquentes
- Oublier le signe de $Q$ ou $W$ : Si le système refroidit, $Q$ doit être négatif.
- Erreur d'unité : Utiliser la masse en grammes ($g$) au lieu de kilogrammes ($kg$).
- Confusion entre $Q$ et $\Delta U$ : $Q$ n'est qu'une partie de la variation d'énergie totale si un travail est aussi présent.