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Devoir Surveillé – Chapitre 13

Premier principe de la thermodynamique et transferts thermiques | Physique-Chimie | Terminale spécialité

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Nom : Prénom : Classe : Date : Note : / 20
🕑 Durée : 1 heure
🧮 Calculatrice : autorisée
✍ Barème : 20 points
📄 Donnée : \(c_{eau} = 4{,}18\times 10^{3}\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\)

Exercice 1 — Premier principe (7 points)

Un système reçoit un travail \(W = +250\) J et cède un transfert thermique de 100 J vers l'extérieur.

1. Énonce le premier principe pour la variation d'énergie interne \(\Delta U\). (2 pts)

2. Précise le signe de \(Q\) puis calcule \(\Delta U\). (3 pts)

3. L'énergie interne du système augmente-t-elle ou diminue-t-elle ? (2 pts)

1. \(\Delta U = W + Q\) : la variation d'énergie interne est la somme du travail et du transfert thermique reçus (convention du récepteur).

2. Le système cède de la chaleur : \(Q = -100\) J. \(\Delta U = 250 + (-100) = +150\) J.

3. \(\Delta U\gt 0\) : l'énergie interne augmente.

Exercice 2 — Chauffage d'une masse d'eau (9 points)

On chauffe \(m = 1{,}5\) kg d'eau de 20 °C à 60 °C dans une bouilloire.

1. Donne l'expression du transfert thermique \(Q\) reçu par l'eau. (2 pts)

2. Calcule \(Q\). (3 pts)

3. La bouilloire a une puissance \(P = 2{,}0\) kW et un rendement de 100 %. Calcule la durée du chauffage. (4 pts)

1. \(Q = m\,c\,\Delta T\), avec \(\Delta T\) l'écart de température.

2. \(Q = 1{,}5\times 4{,}18\times 10^{3}\times (60-20) = 1{,}5\times 4{,}18\times 10^{3}\times 40 \approx 2{,}5\times 10^{5}\) J.

3. \(Q = P\,\Delta t\Rightarrow\Delta t = \dfrac{Q}{P} = \dfrac{2{,}5\times 10^{5}}{2{,}0\times 10^{3}}\approx 1{,}3\times 10^{2}\) s (soit environ 2 min).

Exercice 3 — Flux thermique à travers un mur (4 points)

Un mur sépare une pièce à 20 °C de l'extérieur à 5 °C. Sa résistance thermique est \(R_{th} = 0{,}30\) K·W\(^{-1}\).

1. Donne la relation entre le flux thermique \(\Phi\), l'écart de température et \(R_{th}\). (1 pt)

2. Calcule le flux thermique traversant le mur et indique son sens. (3 pts)

1. \(\Phi = \dfrac{\Delta T}{R_{th}}\).

2. \(\Phi = \dfrac{20-5}{0{,}30} = \dfrac{15}{0{,}30} = 50\) W. Le transfert se fait spontanément du chaud vers le froid, donc de l'intérieur vers l'extérieur.

mur intérieur 20 °C extérieur 5 °C flux Φ (chaud → froid)