Chapitre 4 – Énergie interne et transferts thermiques
Chapitre 4 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
⏱ Durée de lecture estimée : ~20 min
Objectifs du chapitre :
- Relier la température d'un corps à l'agitation microscopique de ses constituants.
- Connaître les échelles Celsius et kelvin et convertir de l'une à l'autre.
- Relier l'énergie interne d'un système à des contributions microscopiques (énergie cinétique et énergie potentielle d'interaction).
- Définir et exploiter la capacité thermique massique pour calculer une variation d'énergie interne \(Q=mc\Delta T\).
- Définir et exploiter l'énergie massique de changement d'état d'une espèce chimique.
- Prévoir le sens d'un transfert thermique entre deux systèmes pour déterminer leur état final.
- Décrire les trois modes de transfert thermique : conduction, convection, rayonnement.
Situation. Dans un logement, un ballon d'eau chaude sanitaire doit porter 150 L d'eau de 15 °C à 60 °C. Combien d'énergie faut-il fournir ? Une fois l'eau chaude, pourquoi refroidit-elle si le ballon est mal isolé, et par quels chemins la chaleur s'échappe-t-elle ? Répondre à ces questions, c'est comprendre ce qu'est l'énergie interne d'un corps, comment elle varie quand la température change ou quand l'eau se vaporise, et comment un transfert thermique se produit toujours du corps chaud vers le corps froid. Ce chapitre donne les outils pour faire un bilan thermique dans l'habitat comme dans l'industrie.
1. Température et agitation microscopique
Définition — température
La température d'un corps est une grandeur qui traduit l'agitation de ses constituants microscopiques (atomes, molécules). Plus ces particules s'agitent (se déplacent, vibrent) vite, plus la température est élevée.
- Un corps chaud : ses particules sont très agitées.
- Un corps froid : ses particules sont peu agitées.
Ne pas confondre température et chaleur
La température mesure l'agitation microscopique (état d'un corps). La chaleur (ou transfert thermique) est de l'énergie qui passe d'un corps à un autre. Dire « il fait chaud » relève de la sensation ; en physique, chaleur et température sont deux grandeurs distinctes.
Mini-exercice 1. On chauffe un morceau de métal. Au niveau microscopique, qu'arrive-t-il à ses atomes ? La quantité de métal change-t-elle sa température finale si on chauffe jusqu'au même état d'agitation ?
En chauffant, on augmente l'agitation des atomes : ils vibrent plus vite autour de leur position. La quantité de métal ne change pas la température : deux morceaux dans le même état d'agitation sont à la même température (la température ne dépend pas de la masse).
2. Échelles de température : Celsius et kelvin
Définition — les deux échelles de température
On utilise deux échelles :
- L'échelle Celsius : température \(\theta\) en degré Celsius (°C). Repères : 0 °C = glace fondante, 100 °C = eau bouillante (sous pression normale).
- L'échelle Kelvin : température \(T\) en kelvin (K), unité SI de température. Son zéro, le zéro absolu (0 K), correspond à une agitation microscopique nulle : c'est la plus basse température possible.
Conversion Celsius ↔ kelvin
Les deux échelles ont le même « pas » (un écart de 1 °C = un écart de 1 K), mais des origines différentes. On passe de l'une à l'autre par :
\(T(\text{K})=\theta(\text{°C})+273{,}15\)
et réciproquement \(\theta(\text{°C})=T(\text{K})-273{,}15\). En pratique on arrondit souvent à \(+273\).
Exemple. Une pièce est à \(\theta=20\) °C. En kelvin : \(T=20+273{,}15=293{,}15\ \text{K}\approx293\ \text{K}\). Inversement, \(T=300\) K correspond à \(\theta=300-273{,}15=26{,}85\) °C \(\approx27\) °C.
Mini-exercice 2. Convertir : (a) l'eau bouillante à 100 °C en kelvin ; (b) une température de 310 K (corps humain) en degré Celsius.
(a) \(T=100+273{,}15=373{,}15\ \text{K}\).
(b) \(\theta=310-273{,}15=36{,}85\ \text{°C}\approx37\ \text{°C}\).
3. Énergie interne d'un système
Définition — énergie interne
L'énergie interne d'un système, notée \(U\) (en joule, J), est l'énergie « stockée » au niveau microscopique. Elle rassemble deux contributions :
- l'énergie cinétique microscopique : due à l'agitation (mouvement) des particules — elle augmente avec la température ;
- l'énergie potentielle d'interaction : due aux forces (liaisons) entre les particules — elle intervient notamment lors des changements d'état.
Ce qui fait varier l'énergie interne
L'énergie interne d'un corps augmente quand on le chauffe (agitation plus grande) et diminue quand il refroidit. On ne mesure pas \(U\) elle-même, mais sa variation \(\Delta U\) entre deux états. Un transfert thermique reçu par un corps augmente son énergie interne ; un transfert cédé la diminue.
Mini-exercice 3. Un radiateur chauffe l'air d'une pièce. L'énergie interne de l'air augmente-t-elle ou diminue-t-elle ? À quelle contribution microscopique est due ce changement ?
L'air reçoit un transfert thermique : son énergie interne augmente. C'est l'énergie cinétique microscopique (agitation des molécules d'air) qui augmente, ce qui se traduit par une hausse de température.
4. Capacité thermique massique et variation d'énergie interne
Définition — capacité thermique massique
La capacité thermique massique \(c\) d'un corps est l'énergie qu'il faut fournir à 1 kg de ce corps pour élever sa température de 1 °C (soit 1 K). Elle s'exprime en joule par kilogramme et par kelvin (J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\)). Plus \(c\) est grande, plus il faut d'énergie pour chauffer le corps.
L'eau a une très grande capacité thermique : elle emmagasine beaucoup d'énergie, ce qui la rend précieuse comme fluide caloporteur (chauffage central).
| Corps | \(c\) (J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\)) |
|---|---|
| Eau liquide | 4185 |
| Air | 1005 |
| Aluminium | 900 |
| Acier / fer | 450 |
| Cuivre | 385 |
Variation d'énergie interne d'un solide ou d'un liquide
Quand un corps de masse \(m\) passe d'une température \(\theta_1\) à une température \(\theta_2\) sans changer d'état, la variation de son énergie interne (l'énergie \(Q\) échangée) vaut :
\(Q=m\,c\,\Delta T\quad\text{avec}\quad \Delta T=\theta_2-\theta_1\)
- \(Q\) en joule (J) ; \(m\) en kilogramme (kg) ; \(c\) en J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\) ; \(\Delta T\) en °C ou en K (même valeur).
- Si \(\theta_2\gt\theta_1\) (échauffement) : \(\Delta T\gt0\) et \(Q\gt0\) → le corps reçoit de l'énergie.
- Si \(\theta_2\lt\theta_1\) (refroidissement) : \(\Delta T\lt0\) et \(Q\lt0\) → le corps cède de l'énergie.
Méthode — calculer une énergie \(Q=mc\Delta T\)
- Repérer la masse \(m\) (en kg — attention aux volumes d'eau : \(1\ \text{L}=1\ \text{kg}\)).
- Lire \(c\) du corps dans un tableau.
- Calculer \(\Delta T=\theta_{final}-\theta_{initial}\) (le signe indique si le corps reçoit ou cède).
- Appliquer \(Q=mc\Delta T\), donner le résultat en J (ou kJ), avec le bon nombre de chiffres significatifs.
Exemple travaillé — chauffer de l'eau. On chauffe \(m=2{,}0\) kg d'eau de \(\theta_1=15\) °C à \(\theta_2=60\) °C. Capacité thermique de l'eau : \(c=4185\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\).
\(\Delta T=60-15=45\) °C (soit 45 K).
\(\Delta T=60-15=45\) °C (soit 45 K).
\(Q=m\,c\,\Delta T=2{,}0\times4185\times45=3{,}77\times10^{5}\ \text{J}\approx377\ \text{kJ}\)
\(Q\gt0\) : l'eau reçoit environ 377 kJ.
Mini-exercice 4. On chauffe \(m=0{,}50\) kg d'aluminium (\(c=900\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\)) de 20 °C à 120 °C. Calculer l'énergie \(Q\) à fournir.
\(\Delta T=120-20=100\) K. \(Q=mc\Delta T=0{,}50\times900\times100=45\,000\ \text{J}=45\ \text{kJ}\).
Mini-exercice 5. Un bloc d'acier de \(m=1{,}5\) kg (\(c=450\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\)) se refroidit de 200 °C à 25 °C. Calculer \(Q\). Que signifie le signe obtenu ?
\(\Delta T=25-200=-175\) K. \(Q=1{,}5\times450\times(-175)=-1{,}18\times10^{5}\ \text{J}\approx-118\ \text{kJ}\). Le signe négatif indique que le bloc cède de l'énergie en refroidissant.
5. Énergie massique de changement d'état
Définition — changement d'état à température constante
Lorsqu'un corps change d'état (fusion, vaporisation…), sa température reste constante pendant toute la transformation : c'est un palier. L'énergie fournie ne sert pas à augmenter l'agitation (donc pas la température) mais à modifier les liaisons entre particules (énergie potentielle d'interaction).
Définition — énergie massique de changement d'état
L'énergie massique de changement d'état \(L\) est l'énergie qu'il faut fournir (ou qui est libérée) pour faire changer d'état 1 kg d'une espèce chimique, sans variation de température. Elle s'exprime en joule par kilogramme (J·kg\(^{-1}\)). L'énergie échangée pour une masse \(m\) vaut :
\(Q=m\,L\)
Par exemple pour l'eau : énergie massique de fusion \(L_{f}\approx3{,}34\times10^{5}\) J·kg\(^{-1}\) ; énergie massique de vaporisation \(L_{v}\approx2{,}26\times10^{6}\) J·kg\(^{-1}\).
Deux formules à ne pas mélanger
\(Q=mc\Delta T\) sert quand la température change (sans changement d'état). \(Q=mL\) sert pendant un changement d'état (température constante, palier). Pour chauffer de la glace à −10 °C jusqu'à de la vapeur, on enchaîne plusieurs étapes : \(mc\Delta T\) (glace) puis \(mL_f\) (fusion) puis \(mc\Delta T\) (eau liquide) puis \(mL_v\) (vaporisation)…
Exemple travaillé — faire fondre de la glace. Quelle énergie faut-il pour faire fondre \(m=0{,}20\) kg de glace déjà à 0 °C ? \(L_f=3{,}34\times10^{5}\) J·kg\(^{-1}\).
\(Q=m\,L_f=0{,}20\times3{,}34\times10^{5}=6{,}7\times10^{4}\ \text{J}=67\ \text{kJ}\)
La température reste à 0 °C pendant toute la fusion.
Mini-exercice 6. Quelle énergie faut-il pour vaporiser \(m=0{,}50\) kg d'eau déjà à 100 °C ? (\(L_v=2{,}26\times10^{6}\) J·kg\(^{-1}\).)
\(Q=mL_v=0{,}50\times2{,}26\times10^{6}=1{,}13\times10^{6}\ \text{J}=1130\ \text{kJ}\). C'est bien plus que pour la fusion : vaporiser demande beaucoup d'énergie.
6. Sens d'un transfert thermique et état final
Sens spontané d'un transfert thermique
Lorsqu'on met en contact deux corps de températures différentes, un transfert thermique se produit spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jamais l'inverse. Le corps chaud cède de l'énergie (il refroidit), le corps froid en reçoit (il se réchauffe). Le transfert s'arrête quand les deux corps atteignent la même température finale : c'est l'équilibre thermique.
Méthode — trouver la température finale (bilan)
Quand un corps chaud et un corps froid sont isolés du reste (calorimètre), le corps chaud cède exactement l'énergie que le corps froid reçoit :
\(Q_{cédée\ par\ le\ chaud}+Q_{reçue\ par\ le\ froid}=0\)
On écrit \(m_1 c_1(\theta_f-\theta_1)+m_2 c_2(\theta_f-\theta_2)=0\) et on résout pour trouver la température finale commune \(\theta_f\).
Exemple travaillé — équilibre thermique. On verse \(m_1=0{,}30\) kg d'eau à \(\theta_1=80\) °C dans \(m_2=0{,}30\) kg d'eau à \(\theta_2=20\) °C (même \(c\), pertes négligées). Comme les masses et \(c\) sont égales, la température finale est la moyenne :
\(\theta_f=\dfrac{\theta_1+\theta_2}{2}=\dfrac{80+20}{2}=50\ \text{°C}\)
L'eau chaude a cédé \(Q_1=0{,}30\times4185\times(50-80)\approx-3{,}77\times10^{4}\) J, l'eau froide a reçu \(Q_2=+3{,}77\times10^{4}\) J : la somme est nulle.
Mini-exercice 7. On plonge une cuillère métallique froide dans un café chaud. Dans quel sens l'énergie se transfère-t-elle ? Que se passe-t-il quand l'équilibre est atteint ?
L'énergie va du café chaud vers la cuillère froide (chaud → froid). Le café refroidit un peu, la cuillère se réchauffe. À l'équilibre, café et cuillère sont à la même température et le transfert s'arrête.
7. Les trois modes de transfert thermique
Définition — conduction, convection, rayonnement
L'énergie thermique peut se propager de trois manières :
- Conduction : transfert de proche en proche dans un solide (ou un fluide immobile), sans déplacement de matière. L'agitation se transmet d'atome en atome. Ex. : le manche métallique d'une casserole qui chauffe.
- Convection : transfert par déplacement de matière dans un fluide (liquide ou gaz). Le fluide chaud, moins dense, monte ; le froid descend, créant un mouvement. Ex. : l'air chaud d'un radiateur qui circule dans la pièce.
- Rayonnement : transfert par ondes électromagnétiques, sans support matériel (possible dans le vide). Ex. : la chaleur du Soleil qui nous parvient à travers l'espace ; la chaleur ressentie devant un feu.
Reconnaître le mode dominant
- Dans un solide → surtout conduction.
- Dans un fluide en mouvement (air, eau qui circule) → convection.
- À distance / dans le vide (Soleil, feu, corps chaud à distance) → rayonnement.
Mini-exercice 8. Identifier le mode de transfert dominant : (a) la poignée métallique d'une porte de four devient chaude ; (b) on sent la chaleur d'un feu de cheminée à 2 m ; (c) l'eau d'une casserole chauffée par le bas se met à bouillonner et à tourner.
(a) Conduction (dans le métal solide). (b) Rayonnement (chaleur reçue à distance). (c) Convection (l'eau chaude monte, la froide descend, mouvement du fluide).
Erreurs fréquentes
- ❌ Confondre chaleur et température → ✅ la température mesure l'agitation ; la chaleur est un transfert d'énergie.
- ❌ Oublier le +273,15 dans une conversion → ✅ \(T(\text{K})=\theta(\text{°C})+273{,}15\).
- ❌ Utiliser \(Q=mc\Delta T\) pendant un changement d'état → ✅ pendant un palier, \(T\) est constante : on utilise \(Q=mL\).
- ❌ Se tromper de signe de \(\Delta T\) → ✅ \(\Delta T=\theta_{final}-\theta_{initial}\) ; \(Q\lt0\) = énergie cédée.
- ❌ Croire que la chaleur va du froid vers le chaud → ✅ le transfert spontané va toujours du chaud vers le froid.
- ❌ Oublier les unités SI → ✅ \(m\) en kg, \(c\) en J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\), \(Q\) en J.
À retenir
- La température traduit l'agitation microscopique ; \(T(\text{K})=\theta(\text{°C})+273{,}15\).
- L'énergie interne \(U\) (en J) = énergie cinétique microscopique + énergie potentielle d'interaction.
- Variation d'énergie interne sans changement d'état : \(Q=mc\Delta T\) (\(m\) en kg, \(c\) en J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\), \(\Delta T=\theta_f-\theta_i\)).
- Changement d'état à température constante : \(Q=mL\) (\(L\) en J·kg\(^{-1}\)) — palier sur la courbe.
- Un transfert thermique va spontanément du chaud vers le froid jusqu'à l'équilibre thermique (même température).
- Trois modes : conduction (solide, sans déplacement de matière), convection (fluide en mouvement), rayonnement (ondes, même dans le vide).