Physique · Terminale · 3 leçons

Fiche de révision : L'énergie : conversions et transferts

L’essentiel de chaque leçon du chapitre, tel qu’il est écrit dans le cours : à relire, à imprimer, puis à vérifier par l’entraînement.

Les notions de cette fiche

Énergie interne, transferts thermiques — Énergie interne, capacité thermique, Q = m c ΔT, modes de transfert (conduction, convection, rayonnement), bilan d'énergie, loi phénoménologique de Newton.
Modèle du gaz parfait — Interprétation microscopique de la pression et de la température, équation d'état p V = n R T, température absolue en kelvin.
Premier principe de la thermodynamique — ΔU = W + Q pour un système fermé, travail des forces de pression, transformations isotherme, isochore, isobare, adiabatique.

À maîtriser avant de commencer

Ces notions sont utilisées ici. Relisez-les si l’une d’elles vous échappe.

Énergie cinétique et énergie potentielle de pesanteur — E_c = ½ m v², E_pp = m g h, formes et conversions d'énergie, unité joule, distance d'arrêt d'un véhicule.
Énergie et puissance — Puissance comme énergie par unité de temps P = E / Δt, watt, kilowattheure, bilan de puissance d'un appareil.
Conversions d'unités et préfixes — Préfixes du SI (k, h, da, d, c, m, µ, n), tableau de conversion, conversions de longueurs, masses, volumes (L ↔ dm³), durées.
Quantité de matière et mole — La mole comme unité de quantité de matière n, constante d'Avogadro N_A, relation N = n × N_A, quantité de matière d'un échantillon à partir de la masse d'une entité (n = m / m_entité).

Le début de la fiche

Extrait de la leçon « Énergie interne et transferts thermiques : ce qui est stocké, ce qui passe », tel qu’il figure sur la fiche.

Ce qu'il faut retenir

$Q = m\,c\,(\theta_f - \theta_i) \qquad (Q \text{ en J},\ m \text{ en kg},\ c \text{ en J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1})$
$Q > 0 \text{ : reçu par le système} \qquad Q < 0 \text{ : cédé par le système}$
$Q_1 + Q_2 = 0 \quad\Longrightarrow\quad \theta_f = \frac{m_1 c_1 \theta_1 + m_2 c_2 \theta_2}{m_1 c_1 + m_2 c_2} \qquad (\text{système isolé})$
$Q = P\,\Delta t \qquad \theta(t) = \theta_{ext} + (\theta_0 - \theta_{ext})\,e^{-t/\tau}$

Tableau : Relation ou règle, Ce qu'elle dit, Conditions d'emploi
Relation ou règle	Ce qu'elle dit	Conditions d'emploi
énergie interne $U$	somme des énergies microscopiques du système ; on n'en utilise que la variation	grandeur d'état : elle caractérise le système
transfert thermique $Q$	énergie échangée avec l'extérieur du fait d'une différence de température	grandeur d'échange : elle n'est pas contenue dans le système
$Q = m\,c\,(\theta_f - \theta_i)$	l'énergie reçue est proportionnelle à la masse et à l'écart de température	corps sans changement d’état ni réaction, travail négligé et $c$ constante
convention de signe	reçu positif, cédé négatif	écrite dans chaque énoncé qui en dépend
$Q_1 + Q_2 = 0$	dans un système isolé, ce que l'un cède, l'autre le reçoit	calorimètre isolé, capacités constantes positives, sans réaction/phase ni travail, capacité du récipient négligée
$Q = P\,\Delta t$	l'énergie transférée est la puissance multipliée par la durée	puissance constante, pertes négligées
loi de Newton	l'écart à la température ambiante décroît d'un facteur $e^{-t/\tau}$	objet isotherme, ambiance constante, échange linéarisé ; expression donnée avec $\tau$

Les unités. Énergie en joules ( $1$ kJ $= 1000$ J) ; masse en kilogrammes ; capacité thermique massique en joules par kilogramme et par kelvin ; puissance en watts, c'est-à-dire en joules par seconde ; durée en secondes ( $1$ min $= 60$ s). Un écart de température vaut le même nombre en kelvins et en degrés Celsius.

Les ordres de grandeur. Capacité thermique massique : eau $4185$ , aluminium $897$ , fer $450$ , cuivre $385$ , toutes en J·kg⁻¹·K⁻¹ — l'eau est de loin la plus grande des quatre. Chauffer un litre et demi d'eau de $60$ °C demande quelques centaines de kilojoules ; une bouilloire de $2000$ W met quelques minutes. Une tasse de café refroidit avec une constante de temps de l'ordre de quelques dizaines de minutes.

Ce qui n'est pas traité ici. Les changements d'état et l'énergie qu'ils mettent en jeu ; le travail, qui entre dans le bilan à la leçon suivante ; le second principe, l'entropie et les cycles thermodynamiques, qui appartiennent à l'enseignement supérieur.

La suite de la fiche (2 autres notions, les pièges à éviter et la version imprimable) est réservée à votre compte.

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