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Interrogation — Ch13 : Premier principe de la thermodynamique et transferts thermiques

Terminale générale | Physique-Chimie | Durée : 15 min | /20

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Nom : Prénom : Classe : Date : Note : / 20

Calculatrice autorisée.

Exercice 1 — Les trois modes de transfert thermique (4 pts)

Pour chacune des situations suivantes, identifier le mode de transfert thermique dominant (conduction, convection ou rayonnement) et justifier en une phrase :

  1. La sensation de chaleur sur le visage face à un feu de cheminée, à 2 m de distance. (1,5 pt)
  2. Le manche métallique d'une casserole qui devient brûlant. (1,5 pt)
  3. L'air chaud qui monte au-dessus d'un radiateur. (1 pt)

a) Rayonnement : le transfert se fait par ondes électromagnétiques (infrarouges), sans contact ni déplacement de matière — il fonctionne même à travers l'air, voire le vide. (1,5 pt)

b) Conduction : l'énergie se propage de proche en proche dans le métal (agitation transmise entre atomes), sans déplacement de matière. (1,5 pt)

c) Convection : le transfert est assuré par un déplacement de matière (l'air chaud, moins dense, monte). (1 pt)

Exercice 2 — Premier principe et variation d'énergie interne (8 pts)

Un chauffe-eau porte une masse d'eau de 15 °C à 55 °C.

GrandeurSymboleValeur
Masse d'eau\(m\)\(150\) kg
Capacité thermique massique de l'eau\(c\)\(4\,180\ \text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}\)
Température initiale\(\theta_i\)\(15\ ^\circ\text{C}\)
Température finale\(\theta_f\)\(55\ ^\circ\text{C}\)
  1. Énoncer le premier principe de la thermodynamique pour un système fermé au repos, en précisant la signification de chaque terme. (2 pts)
  2. Calculer la variation d'énergie interne \(\Delta U\) de l'eau. (3 pts)
  3. L'eau ne reçoit aucun travail (\(W = 0\)). En déduire le transfert thermique \(Q\) reçu par l'eau et préciser son signe. (2 pts)
  4. Le chauffage a duré 3,0 h. Calculer la puissance moyenne reçue par l'eau. (1 pt)

a) \(\Delta U = W + Q\) : la variation d'énergie interne du système est égale à la somme du travail \(W\) et du transfert thermique \(Q\) reçus (comptés positivement quand ils sont reçus par le système). (2 pts)

b) Pour un corps incompressible : \(\Delta U = m\,c\,\Delta T = 150\times4\,180\times(55-15) = 150\times4\,180\times40 \approx 2{,}5\times10^{7}\ \text{J}\) (25 MJ). Remarque : un écart de température en °C est égal à l'écart en K. (3 pts)

c) \(W=0\) donc \(Q=\Delta U \approx +2{,}5\times10^{7}\ \text{J}\). \(Q>0\) : l'eau reçoit de l'énergie par transfert thermique. (2 pts)

d) \(P=\dfrac{Q}{\Delta t}=\dfrac{2{,}5\times10^{7}}{3{,}0\times3\,600}\approx2{,}3\times10^{3}\ \text{W}\). (1 pt)

Exercice 3 — Flux et résistance thermique d'une paroi (8 pts)

Le mur d'un salon a une résistance thermique \(R_{th} = 0{,}050\ \text{K·W}^{-1}\). La température intérieure est \(\theta_{int} = 20\ ^\circ\text{C}\), la température extérieure \(\theta_{ext} = 5\ ^\circ\text{C}\).

  1. Rappeler la relation entre le flux thermique \(\Phi\), l'écart de température \(\Delta T\) et \(R_{th}\), avec les unités. (2 pts)
  2. Calculer le flux thermique \(\Phi\) traversant le mur. Dans quel sens s'effectue ce transfert ? (3 pts)
  3. Après isolation, la résistance thermique du mur est doublée. Que devient le flux ? Justifier sans calcul complet. (2 pts)
  4. Calculer l'énergie perdue à travers le mur isolé en 24 h (mêmes températures). (1 pt)

a) \(\Phi=\dfrac{\Delta T}{R_{th}}\), avec \(\Phi\) en watt (W), \(\Delta T\) en kelvin (K) et \(R_{th}\) en \(\text{K·W}^{-1}\). (2 pts)

b) \(\Delta T = 20-5 = 15\ \text{K}\), donc \(\Phi=\dfrac{15}{0{,}050}=3{,}0\times10^{2}\ \text{W}\). Le transfert s'effectue spontanément du chaud vers le froid : de l'intérieur vers l'extérieur. (3 pts)

c) \(\Phi\) est inversement proportionnel à \(R_{th}\) : si \(R_{th}\) double, le flux est divisé par 2, soit \(1{,}5\times10^{2}\ \text{W}\). C'est tout l'intérêt de l'isolation. (2 pts)

d) \(E=\Phi\times\Delta t=150\times24\times3\,600\approx1{,}3\times10^{7}\ \text{J}\) (soit 3,6 kWh). (1 pt)

Total : 4 + 8 + 8 = 20 points.