FICHE DE RÉVISION 1 - TERMINALE SPC

🔥 Chapitre 15 -  Premier principe de la thermodynamique et bilan énergétique

🟦 1. Objectifs du chapitre

À la fin du chapitre, il faut savoir :

✅ Définir un système thermodynamique

✅ Identifier les échanges d'énergie entre un système et son environnement

✅ Distinguer travail et transfert thermique

✅ Appliquer le premier principe de la thermodynamique

✅ Réaliser correctement un bilan énergétique

✅ Choisir correctement les signes des échanges d'énergie.

🟩 2. Les notions essentielles

 🌍 Système thermodynamique

C'est la partie de l'univers que l'on étudie.

Tout le reste constitue le milieu extérieur.

👉 Toujours commencer un exercice par :

"Quel est le système étudié ?"

 ⚡ Énergie interne (U)

-  L'énergie interne représente :

-  l'agitation microscopique des particules

-  les interactions entre ces particules

-  Elle dépend principalement :

-  de la température

-  de l'état physique

-  Unité : joule (J)

 🔥 Transfert thermique (Q)

-  Échange d'énergie dû à une différence de température.

-  La chaleur circule : ➡️ du corps chaud vers le corps froid.

-  Unité : joule (J)

 ⚙️ Travail (W)

-  Énergie transférée grâce à une action mécanique ou électrique.

-  Exemples :

-  compression d'un gaz

-  moteur électrique

-  résistance chauffante

-  compresseur d'une pompe à chaleur

-  Unité : joule (J)

🟨 3. Convention des signes ⭐⭐⭐

-  Le chapitre repose essentiellement sur cette convention.

-  ✔ Q > 0 si le système reçoit de la chaleur

-  ✔ Q < 0 s'il perd de la chaleur

-  ✔ W > 0 si le système reçoit un travail

-  ✔ W < 0 s'il fournit un travail.

🟥 4. Premier principe de la thermodynamique

-  Pour un système fermé au repos :

-  ⭐ Formule fondamentale : ΔU = W + Q

-  ΔU : variation d'énergie interne (J)

-  W : travail reçu (J)

-  Q : transfert thermique reçu (J)

 Signification physique

-  Si :ΔU > 0 ➡️ le système gagne de l'énergie.

-  Si :ΔU < 0 ➡️ le système perd de l'énergie.

-  Si : ΔU = 0 ➡️ énergie interne constante.

🟪 5. Cas particuliers à connaître

 🔥 Chauffage

-  Le système reçoit de la chaleur. Q > 0

 ❄ Refroidissement

-  Le système cède de la chaleur. Q < 0

 🔧 Compression

-  On exerce une force sur le système. Le système reçoit un travail : W > 0

 💨 Détente

-  Le système fournit un travail : W < 0

🟦 6. Les grandeurs à connaître

🟩 7. Réaliser un bilan énergétique (Méthode Bac)

-  Toujours suivre les étapes suivantes :

-  ① Choisir le système. Le préciser explicitement.

-  ② Repérer tous les échanges. Travail ? Chaleur ? Plusieurs transferts ?

-  ③ Choisir les signes. Énergie reçue  → positif. Énergie cédée →  négatif

-  ④ Écrire le premier principe : ΔU = W + Q

-  ⑤ Remplacer par les valeurs

-  ⑥ Interpréter le résultat. ΔU positif → énergie interne augmente ΔU négatif  → énergie interne diminue.

🟨 8. Schéma mental

🟧 9. Exemple classique : tasse de café

-  Café chaud :

-  Cas d’une tasse de café  (65 ° C) qu’on laisse à la température ambiante (21 ° C).

-  Au cours du temps, la température du café diminue.

 

-  La tasse de café constitue le système d’étude S, l’autre système S’ est constitué par le milieu extérieur.

-  Un transfert d’énergie s’effectue de la tasse de café vers le milieu extérieur.

-  La tasse de café cède de l’énergie sous forme de transfert thermique, notée Q, au milieu extérieur.

 

-  Le café perd de la chaleur : Q < 0

-  Aucun travail : W = 0

-  Alors : ΔU = Q < 0

-  L'énergie interne diminue.

-  La température baisse.

🟪 10. Exemple : pompe à chaleur

 

-  Le fluide frigorigène :

-  ✔ reçoit un travail du compresseur : W > 0

-  ✔ reçoit de la chaleur extérieure : Q₁ > 0

-  ✔ cède de la chaleur à la maison : Q₂ < 0

-  Bilan : ΔU = W + Q₁ + Q₂

🟥 11. Les erreurs classiques

-  ❌ Confondre chaleur et température

-  La chaleur est un transfert d'énergie.

-  La température mesure l'agitation thermique.

-  ❌ Oublier de définir le système

-  Le signe dépend du système choisi.

-  ❌ Inverser les signes

-  Toujours retenir :

-  Reçu = positif

-  Cédé = négatif

-  ❌ Écrire : ΔU = Q − W

-  Cette écriture existe dans certains ouvrages utilisant une convention différente.

-  ⚠ Dans le programme étudié ici :

-  ΔU = Q + W

-  avec W et Q positifs lorsqu'ils sont reçus.

🟦 12. Astuces pour le Bac

-  💡 Toujours dessiner les flèches des échanges.

-  💡 Écrire les signes avant les calculs.

-  💡 Vérifier que l'unité est le Joule.

-  💡 Commencer chaque exercice par :

-  « Le système étudié est... »

-  💡 Si aucune énergie n'est échangée : ΔU = 0

🟩 13. À retenir absolument ⭐⭐⭐⭐⭐

-  Les trois idées essentielles

-  L'énergie ne disparaît jamais.

-  Elle est transférée par :

-  le travail W

-  le transfert thermique Q

-  Le premier principe traduit cette conservation :

-  ΔU = W + Q

🟨 14. Mémo Express (30 secondes avant un contrôle)

-  🟢 Définir le système.

-  🟢 Repérer les échanges.

-  🟢 Reçu → +

-  🟢 Cédé → –

-  🟢 Écrire : ΔU = W + Q

-  🟢 Calculer ΔU.

-  🟢 Conclure :

-  ΔU > 0 → énergie interne augmente.

-  ΔU < 0 → énergie interne diminue.

-  ΔU = 0 → énergie interne constante.

🎯 Les 5 formules indispensables

 📌 Les mots-clés à maîtriser

🟦 Système thermodynamique
🟩 Milieu extérieur
🟨 Énergie interne
🟥 Travail
🟧 Transfert thermique
🟪 Premier principe
🟫 Bilan énergétique
⬛ Convention des signes
🔶 Système fermé
🔷 Conservation de l'énergie

 Fiche de révision 2 - Chapitre 15 – Premier principe de la thermodynamique et bilan énergétique

Cette fiche a été structurée pour une lecture rapide et efficace tout en garantissant une rigueur scientifique indispensable pour le Baccalauréat :

 1. Notions Fondamentales

-  Système thermodynamique : Définition d'un système fermé (échange d'énergie mais pas de matière) et variables d'état (P, V ,T , n)

-  Les deux échelles d'énergie : Distinguer l'échelle macroscopique (E_C, E_p)de l'échelle microscopique (Énergie interne U).

-  Variation d'énergie interne pour un système incompressible :

-  ΔU = m . c . (T_f – T_i ) = m . c . ΔT

-  ΔU : Variation d’énergie interne en joule (J)

-  m : Masse de la substance en en kilogramme (kg)

-  c : Capacité thermique massique en (J . kg ^{– 1}. K^{– 1})  

-  T_f –T_i = ΔT : Variation de température absolue en kelvin (K)

 2. Le Premier Principe de la Thermodynamique

-  Énoncé de la conservation de l'énergie :

-  Pour un système au repos macroscopique (ΔE_macro = 0) :

-  ΔU_i→f = W + Q

-  ΔU_i→f : Variation d’énergie interne (joule : J)

-  W : Travail (électrique ou mécanique)  (joule : J)

-  Q : Transfert thermique (joule : J)

-  La Convention de l'Égoïste (Signes de W et Q ) :

-  Énergie reçue par le système → comptée positivement (> 0)

-  Énergie cédée par le système → comptée négativement (< 0).

 3. Transferts Thermiques et Loi de Newton

-  3 modes de transfert : Conduction (sans déplacement de matière), Convection (avec déplacement de fluide), Rayonnement (par ondes électromagnétiques, même dans le vide).

-  Flux thermique Φ :

-  Puissance thermique échangée à travers une paroi :

-    ou

-  Températures absolues : T_A et T_B en kelvin (K)

-  Résistance thermique : R_th (K . W^–1)

-  Flux thermique : Φ en watt : (J . s^–1 = W)

4. Loi de Newton et Évolution Temporelle

-  Équation différentielle de la température du système au cours du temps :

-   

-  Constante de temps :  (en secondes s).

-  Solution générale :

-  T (t) = T_ext + (T_i − T_ext) . e ^{− t / τ}

 

5. Astuces, Erreurs et Pièges à Éviter

-  ⚠️ Piège des unités :

-   La masse m doit obligatoirement être convertie en kilogrammes (kg) et non rester en grammes.

-  ⚠️ Confusion entre c et C : ne pas confondre c (minuscule) capacité thermique massique et C (majuscule) capacité globale ou totale.

-  💡 Règle des 5 τ :

-  Au bout de t = 5 τ, la température du système a atteint plus de 99 % de sa valeur finale d'équilibre thermique e⁻⁵ ≈ 0 007

-  C'est une astuce idéale pour vérifier l'échelle d'un graphique lors d'une épreuve !

FICHE DE RÉVISION 3 - APPROFONDIE & SYNTHÉTIQUE

Chapitre 15 : Premier principe de la thermodynamique et bilan énergétique

1. Les Points et Notions Importantes

-  Le Système Thermodynamique : Portion de l'univers délimitée par une frontière réelle ou fictive.

-  Le reste de l'univers constitue le milieu extérieur.

-   Un système est dit fermé s'il n'échange aucune matière avec l'extérieur, bien qu'il puisse y échanger de l'énergie.

-  Énergie Totale d'un Système :

-  L'énergie globale d'un système est la somme de ses contributions macroscopiques (énergie cinétique E_c,macro et potentielle E_p,macro) et de son énergie microscopique appelée Énergie Interne (U).

-  L'Énergie Interne (U) :

-  Elle représente l'énergie cinétique microscopique (liée à l'agitation thermique) et l'énergie potentielle microscopique (liée aux interactions entre constituants).

-  C'est une fonction d'état, sa variation ne dépend que des états initial et final du système.

-  Système Incompressible (Phase Condensée) :

-  Pour un solide ou un liquide de masse m et de capacité thermique massique c, la variation d'énergie interne est directement proportionnelle à la variation de température :

-  ΔU = m × c × ΔT.

-  Modes de Transfert Thermique :

-  La chaleur (Q) est transférée spontanément du corps chaud vers le corps froid selon trois mécanismes :

-  Conduction : Transfert thermique de proche en proche sans déplacement global de matière (ex: une barre de métal chauffée).

-  Convection : Transfert thermique accompagné d'un déplacement macroscopique de matière (ex: air chaud ascendant).

-  Rayonnement : Transfert thermique par émission et absorption d'ondes électromagnétiques, possible même dans le vide.

2. Le Premier Principe de la Thermodynamique

Le premier principe est une loi de conservation de l'énergie.

Pour un système fermé au repos macroscopique (sans modification de sa vitesse ou de son altitude globale), la variation d'énergie interne est égale à la somme algébrique du travail et de la chaleur reçus par le système :

ΔU = W + Q

3. Formules Fondamentales et Unités

4. Évolution Temporelle : Loi de Newton

L'application du premier principe à un corps de capacité thermique globale C = m × c au contact d'un thermostat de température constante Text conduit à l'équation différentielle suivante :

dT(t) / dt + T (t) / τ = T_ext / τ

La constante de temps τ vaut : τ = R_th × C = (m × c) / (h × S) (exprimée en secondes).

La solution générale de cette équation différentielle (avec T (0) = T_i) est :

T(t) = T_ext + (T_i - T_ext) × e^{(- t / τ)}

5. Astuces, Erreurs et Pièges à Éviter

-  ⚠️ Piège : La Convention de l'Égoïste (Signe de W et Q)

-  Les transferts énergétiques sont des valeurs algébriques.

-  Tout transfert gagné par le système est positif ( > 0 ), tandis que tout transfert cédé ou perdu vers l'extérieur est négatif ( < 0 ).

-  Pensez à toujours vérifier la cohérence physique de vos signes !

-  ⚠️ Piège : Unités de la masse m

-  Dans la formule ΔU = m × c × ΔT, si la capacité thermique massique 'c' est donnée en J · kg⁻¹· K⁻¹, la masse 'm' doit impérativement être exprimée en kilogrammes (kg).

-  Convertissez systématiquement les grammes avant de lancer vos calculs !

-  💡 Astuce : Durée d'établissement de l'équilibre

-  Sur le graphique d'évolution T (t), la constante de temps τ correspond graphiquement à l'intersection entre la tangente à l'origine (t=0) et l'asymptote horizontale T = T_ext.

-  De plus, on considère que l'équilibre thermique parfait est atteint de manière pratique au bout de 5 τ (diminution de l'écart initial de plus de 99%).

-  💡 Astuce : Écart de Température en Kelvin ou Celsius ?

-  Une variation de température ΔT = T_f - T_i a exactement la même valeur numérique en Kelvin (K) qu'en degrés Celsius (°C).

-  Il est inutile et contre-productif de convertir chaque température en Kelvin avant d'en calculer la différence !

 Fiche de révision 4 - Chapitre n°15 : Premier principe de la thermodynamique et bilan énergétique

Objectif : savoir identifier les transferts d’énergie, appliquer le premier principe et établir un bilan énergétique avec les bons signes.

1)- Points importants à retenir

-  Un système thermodynamique est la partie de l’Univers que l’on étudie ; tout le reste constitue le milieu extérieur.

-  L’énergie d’un système peut varier s’il reçoit ou cède de l’énergie.

-  Les deux modes de transfert étudiés sont le travail W et le transfert thermique Q.

-  Le travail correspond à un transfert macroscopiquement ordonné ; le transfert thermique correspond à un transfert microscopiquement désordonné.

-  Pour un système fermé, au repos macroscopique : ΔU = W + Q.

-  Le signe des transferts dépend toujours du système choisi.

2)- Notions importantes

3)- Formules fondamentales et unités

4)- Méthode pour établir un bilan énergétique

-  ① Définir clairement le système étudié : eau, gaz, fluide frigorigène, résistance, etc.

-  ② Identifier le milieu extérieur : tout ce qui n’appartient pas au système.

-  ③ Lister les transferts d’énergie : travail mécanique, travail électrique, transfert thermique.

-  ④ Attribuer les signes : énergie reçue par le système → positive ; énergie cédée par le système → négative.

-  ⑤ Écrire le premier principe : ΔU = somme des transferts reçus ou cédés.

-  ⑥ Interpréter le résultat : ΔU > 0 signifie que l’énergie interne augmente ; ΔU < 0 signifie qu’elle diminue

5)- Astuces de résolution

-  Toujours commencer par choisir le système. Sans système précis, les signes de W et Q sont impossibles à fixer.

-  Faire un schéma avec des flèches : flèche entrante = énergie reçue ; flèche sortante = énergie cédée.

-  Pour un échauffement sans changement d’état, utiliser directement ΔU = m .c . ΔT.

-  Pour une baisse de température, ΔT est négatif donc ΔU est négatif.

-  La variation de température a la même valeur en °C et en K : ΔT = Δθ.

-  Pour les gaz parfaits, toujours convertir le volume en m³ et la température en K.

6)- Erreurs et pièges à éviter

7)- Mini-synthèse à mémoriser

-  Le premier principe de la thermodynamique exprime la conservation de l’énergie :

-  La variation d’énergie interne d’un système fermé au repos macroscopique est égale à la somme des énergies qu’il échange avec l’extérieur par travail et par transfert thermique.

-  Le bilan énergétique consiste donc à identifier le système, repérer les transferts, fixer leurs signes, puis appliquer ΔU = W + Q.

 

8)- Fiche mémo express — À retenir en 2 minutes

🟡 Signes à mémoriser :

énergie reçue par le système → positive ;

énergie cédée par le système → négative.

Le signe dépend toujours du système choisi.

🟢 Phrase clé : « La variation d’énergie interne d’un système fermé au repos macroscopique est égale à la somme des transferts d’énergie échangés avec l’extérieur. »

🚫 Pièges express

Ne jamais oublier de convertir T en kelvin dans P . V = n . R . T. Ne pas confondre C et c : C pour tout le système, c pour 1 kg. Ne pas écrire ΔU = Q si un travail W intervient. Ne pas changer de système pendant le bilan.

9)- Carte mentale colorée — Premier principe et bilan énergétique

Phrase mémo :

« Je choisis mon système, je repère les transferts, je mets les signes,

puis j’applique ΔU = W + Q. »

10)- Tableau récapitulatif — Toutes les formules indispensables

Astuce finale :

Avant chaque calcul, vérifier les unités : Pa, m³, mol, K, kg et J.

Une erreur d’unité entraîne presque toujours un résultat faux.

11)- Schéma en bulles et flèches — Bilan énergétique

À retenir :

Une flèche qui entre dans le système correspond à une énergie reçue donc positive ;

Une flèche qui sort du système correspond à une énergie cédée donc négative.