Premier principe de la thermodynamique et transferts thermiques | Physique-Chimie | Terminale spécialité
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
On chauffe \(m = 0{,}50\) kg d'eau de \(20\,^\circ\text{C}\) à \(80\,^\circ\text{C}\). Donnée : capacité thermique massique de l'eau \(c = 4{,}18\times 10^{3}\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\).
Calcule la variation d'énergie interne \(\Delta U\) de l'eau.
\(\Delta U = m\,c\,\Delta T = 0{,}50\times 4{,}18\times 10^{3}\times(80-20)=0{,}50\times 4{,}18\times 10^{3}\times 60\approx 1{,}3\times 10^{5}\) J.
(Une variation de 60 °C correspond à une variation de 60 K : \(\Delta T\) est identique en °C et en K.)
Un système reçoit un travail \(W = +200\) J et cède un transfert thermique de 50 J au milieu extérieur.
1. Énonce le premier principe. 2. Détermine la valeur de \(Q\) reçue par le système. 3. Calcule \(\Delta U\).
1. La variation d'énergie interne d'un système est égale à la somme du travail et du transfert thermique reçus : \(\Delta U = W + Q\).
2. Le système cède 50 J : il reçoit \(Q = -50\) J.
3. \(\Delta U = W + Q = 200 + (-50) = +150\) J.
Associe chaque situation à un mode de transfert (conduction, convection, rayonnement) :
a. la chaleur du Soleil qui parvient jusqu'à la Terre à travers le vide ; b. le manche métallique d'une casserole qui chauffe ; c. l'air chaud qui monte au-dessus d'un radiateur.
a. Rayonnement : transfert par ondes électromagnétiques, possible dans le vide.
b. Conduction : transfert de proche en proche dans un solide, sans déplacement de matière.
c. Convection : transfert par déplacement d'un fluide (l'air chaud, moins dense, monte).
Un mur sépare l'intérieur d'une maison (\(20\,^\circ\text{C}\)) de l'extérieur (\(5\,^\circ\text{C}\)). Sa résistance thermique est \(R_{th} = 0{,}30\) K·W\(^{-1}\).
1. Calcule le flux thermique \(\Phi\) traversant le mur. 2. Pour mieux isoler, faut-il augmenter ou diminuer \(R_{th}\) ?
1. \(\Phi=\dfrac{\Delta T}{R_{th}}=\dfrac{20-5}{0{,}30}=\dfrac{15}{0{,}30}=50\) W.
2. Pour limiter les pertes (réduire \(\Phi\) à \(\Delta T\) donné), il faut augmenter la résistance thermique \(R_{th}\) — c'est le rôle d'un isolant.
Un corps chaud, placé dans une pièce à température constante \(T_{ext}\), se refroidit. La loi de Newton indique que le flux thermique cédé est proportionnel à l'écart \((T - T_{ext})\).
1. Au début, l'écart de température est grand : le refroidissement est-il rapide ou lent ? 2. Vers quelle température tend le corps au bout d'un temps long ?
1. Un grand écart \((T-T_{ext})\) donne un flux élevé : le refroidissement est rapide au début, puis ralentit à mesure que l'écart diminue.
2. Le corps tend vers la température de la pièce \(T_{ext}\) (l'écart tend vers 0, comme une décroissance exponentielle vers \(T_{ext}\)).
Un chauffe-eau doit porter \(V = 100\) L d'eau de \(15\,^\circ\text{C}\) à \(60\,^\circ\text{C}\). Données : masse volumique de l'eau \(\rho = 1{,}0\) kg·L\(^{-1}\) ; \(c = 4{,}18\times 10^{3}\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\).
1. Calcule l'énergie thermique \(Q\) nécessaire (on suppose \(W=0\), pertes négligées). 2. La puissance du chauffe-eau est \(P = 2{,}0\) kW. Combien de temps faut-il ?
1. Masse : \(m=\rho\,V=1{,}0\times 100=100\) kg. \(Q=\Delta U=m\,c\,\Delta T=100\times 4{,}18\times 10^{3}\times 45\approx 1{,}9\times 10^{7}\) J.
2. \(Q=P\,\Delta t\Rightarrow \Delta t=\dfrac{Q}{P}=\dfrac{1{,}9\times 10^{7}}{2{,}0\times 10^{3}}\approx 9{,}4\times 10^{3}\) s \(\approx 2\text{ h }37\text{ min}\).