Thermodynamique — Température et échanges thermiques
Programme en vigueur — arrêtés du 17 janvier 2019, applicable en Première depuis la rentrée 2019. Voir le texte
Premier principe de la thermodynamique : ΔU = Q + W. Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement. Capacité thermique Q = m × c × ΔT. Bilan énergétique.
La règle d'or
Un corps ne contient pas de chaleur : il possède une énergie interne, et la chaleur est le transfert qui la fait varier.
L'erreur que tout le monde fait
Traiter la chaleur comme une grandeur stockée dans un corps, et donc confondre la température avec l'énergie qu'il détient.
La température décrit un état, la chaleur décrit un échange entre deux systèmes. Un litre d'eau tiède transfère plus d'énergie qu'une goutte brûlante, parce que Q dépend aussi de la masse et de la capacité thermique. Confondre les deux rend tout bilan énergétique impossible à écrire.
Nommer Q un échange entre deux corps et lui donner un signe : positif quand le système reçoit, négatif quand il cède.
Un litre d'eau à 20 °C et une piscine à 20 °C sont à la même température, et pourtant refroidir la piscine demande des milliers de fois plus d'énergie. La température ne mesure donc pas ce qu'un corps contient : elle mesure son état. Toute la thermodynamique commence par cette distinction, et la plupart des erreurs de bilan viennent de son oubli.
1Ce que mesure une température
Définition
Température et énergie interne — La température est une grandeur d'état : elle traduit l'agitation moyenne des entités constituant le système, indépendamment de leur nombre. L'énergie interneU, elle, est la somme des énergies microscopiques de toutes ces entités : elle dépend donc aussi de la quantité de matière. Deux corps à la même température n'ont pas la même énergie interne s'ils n'ont pas la même masse.
Piège
Traiter la chaleur comme une grandeur stockée dans un corps, et donc confondre la température avec l'énergie qu'il détient.
Pourquoi — Un corps ne contient pas de chaleur : il possède une énergie interne. La chaleur est un transfert — le mode par lequel cette énergie interne varie —, comme le travail. Dire « ce corps contient de la chaleur » est aussi incorrect que dire « ce corps contient du travail ». La confusion empêche ensuite d'écrire correctement un bilan, puisqu'on additionne alors un état et un transfert.
Le réflexe — La chaleur est ce qui passe, l'énergie interne ce qui est.
2Le premier principe
Règle
Premier principe de la thermodynamique : la variation d'énergie interne d'un système fermé est égale à la somme des transferts qu'il reçoit — le transfert thermiqueQ, appelé chaleur, et le travailW des forces extérieures. Les deux sont comptés positivement lorsqu'ils sont reçus par le système, négativement lorsqu'ils sont cédés. Cette convention de signe est la source de la moitié des erreurs de bilan.
ΔU=Q+W
Propriété
Pour un corps qui s'échauffe ou se refroidit sans changer d'état, le transfert thermique se calcule à partir de sa capacité thermique massique c, qui mesure l'énergie nécessaire pour élever d'un degré la température d'un kilogramme. L'eau a une capacité thermique massique élevée — c'est pourquoi elle chauffe lentement et se refroidit lentement, et pourquoi les océans tempèrent les climats.
Q=m×c×ΔT
3Les trois modes de transfert
Propriété
Un échange thermique entre deux corps emprunte trois voies. La conduction transfère l'énergie de proche en proche sans déplacement de matière : elle domine dans les solides, surtout métalliques. La convection transporte l'énergie avec la matière elle-même, par des mouvements de fluide : c'est le mode principal dans les liquides et les gaz. Le rayonnement transporte l'énergie par ondes électromagnétiques et ne nécessite aucun support : c'est ainsi que l'énergie solaire traverse le vide.
Ces trois modes coexistent le plus souvent, et une isolation efficace doit les traiter tous. Une paroi épaisse limite la conduction ; un double vitrage avec gaz immobile limite la convection ; une couche réfléchissante limite le rayonnement. Traiter un seul mode laisse une voie de fuite ouverte — c'est pourquoi une bouteille isotherme combine les trois dispositifs.
Règle
Un changement d'état se fait à température constante : toute l'énergie reçue sert à modifier l'organisation de la matière, non à l'échauffer. C'est pourquoi la température d'un mélange eau-glace reste à 0 °C tant qu'il reste de la glace, alors même qu'on chauffe. Un palier sur une courbe d'échauffement signale donc un changement d'état, jamais un défaut de chauffage.
pendantunchangementd′eˊtat:ΔT=0
Établir un bilan énergétique thermique
Définir le système étudié et préciser s'il est isolé ou en contact avec un autre corps.
Repérer si la transformation comporte un changement d'état : si oui, la séparer en étapes.
Pour chaque étape sans changement d'état, écrire Q=m×c×ΔT.2×4180×60=501600Chauffer 2 kg d'eau de 20 à 80 °C demande environ 502 kJ.
Appliquer la convention de signe : reçu positif, cédé négatif.
Écrire que l'énergie cédée par l'un est reçue par l'autre si l'ensemble est isolé, puis résoudre.
▢Ai-je écrit que la chaleur est un transfert, pas un contenu ?
b.Énoncer le premier principe et donner la convention de signe.
c.Que mesure une capacité thermique massique ?
d.Citer les trois modes de transfert et dire lequel ne nécessite aucun support.
e.Que se passe-t-il pour la température pendant un changement d'état ?
›Voir le corrigéMasquer le corrigé
a. La température traduit l'agitation moyenne, indépendamment de la quantité. L'énergie interne est la somme sur toutes les entités : elle dépend de la masse.
b. ΔU = Q + W : la variation d'énergie interne égale la somme des transferts. Ils sont comptés positifs quand reçus.
c. L'énergie nécessaire pour élever de un degré la température de un kilogramme de ce corps.
d. Conduction, convection, rayonnement — seul le rayonnement se propage sans support matériel.
e. Elle reste constante : toute l'énergie reçue sert à modifier l'organisation de la matière.
2
On chauffe 2,0 kg d'eau de 20 °C à 80 °C. Capacité thermique massique de l'eau : 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹.
Calculer
a.Calculer la variation de température.
b.Calculer l'énergie à fournir.
c.La même énergie est fournie à 2,0 kg d'huile, de capacité 2 000 J·kg⁻¹·K⁻¹. Calculer son élévation de température.
d.Expliquer le résultat sans calcul supplémentaire.
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a. Variation de température :80−20=60
Soit ΔT = 60 K.
b. Énergie à fournir :2×4180×60=501600
Soit environ 502 kJ.
c. Pour l'huile, on isole ΔT dans Q=mcΔT :501600÷2÷2000=125,4
Soit une élévation d'environ 125 K.
d. Parce que la capacité thermique de l'huile est environ deux fois plus faible que celle de l'eau : à énergie égale, l'élévation de température est environ deux fois plus grande. C'est la même raison qui rend l'eau si efficace comme réservoir thermique.
3
Modes de transfert. Identifier le mode dominant et justifier.
Analyser
a.Une cuillère métallique plongée dans une soupe chaude devient brûlante.
b.L'air chaud d'un radiateur monte vers le plafond.
c.On sent la chaleur d'un feu à plusieurs mètres, sans courant d'air.
d.Pourquoi une bouteille isotherme combine-t-elle trois dispositifs différents ?
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a. Conduction : l'énergie se transmet de proche en proche dans le métal, sans déplacement de matière.
b. Convection : c'est l'air lui-même, devenu moins dense en chauffant, qui se déplace et transporte l'énergie.
c. Rayonnement : l'énergie est transportée par des ondes électromagnétiques, sans support — d'où l'absence de courant d'air.
d. Parce que les trois modes coexistent et qu'en traiter un seul laisse une voie de fuite ouverte. Les parois limitent la conduction, le vide ou le gaz immobile la convection, la couche réfléchissante le rayonnement.
4
Une courbe d'échauffement d'un glaçon chauffé régulièrement présente un palier à 0 °C, puis une montée, puis un palier à 100 °C.
Raisonner
a.Que se passe-t-il pendant le premier palier ?
b.L'apport d'énergie est-il interrompu pendant ce palier ? Où va-t-elle ?
c.Pourquoi la température monte-t-elle entre les deux paliers ?
d.Un élève conclut du palier que le chauffage est défaillant. Réfuter.
e.Pourquoi la transpiration refroidit-elle la peau ?
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a. La fusion de la glace : le mélange eau-glace reste à 0 °C tant qu'il reste de la glace.
b. Non, l'apport continue. L'énergie sert à rompre les liaisons qui maintiennent l'organisation du solide, et non à augmenter l'agitation moyenne — donc la température ne monte pas.
c. Parce qu'il n'y a plus de changement d'état : toute l'énergie reçue augmente alors l'énergie interne sous forme d'agitation, ce que traduit la hausse de température.
d. Un chauffage défaillant produirait une montée plus lente, pas un arrêt net suivi d'une reprise à la même pente. Le palier commence et finit à une température caractéristique du corps, ce qu'un défaut d'appareil n'expliquerait pas. Le palier signe un changement d'état.
e. Parce que la vaporisation de la sueur est un changement d'état qui absorbe de l'énergie. Cette énergie est prélevée sur la peau, dont l'énergie interne diminue — donc la température baisse. C'est le même mécanisme, employé dans l'autre sens.
Ce qui rapporte des points, ce qui en coûte
Distinguer température et énergie interne4 ptsPerdu si : Traiter la chaleur comme un contenu
Écrire le premier principe avec les signes4 ptsPerdu si : Compter positivement une énergie cédée
Appliquer Q = m c ΔT4 ptsPerdu si : Oublier la masse ou inverser ΔT
Identifier le mode de transfert dominant4 ptsPerdu si : Appeler convection un transfert dans un solide
Interpréter un palier comme un changement d'état4 ptsPerdu si : Y voir un défaut de chauffage
4
La méthode
Établir un bilan énergétique thermique
1
Délimiter le système étudié et préciser ce qui appartient au milieu extérieur.
2
Recenser les transferts subis par le système, thermique Q et mécanique W, puis fixer leur signe.
Le signe se choisit toujours du point de vue du système : reçu positif, cédé négatif.
3
Écrire le premier principe sous la forme : variation d'énergie interne égale Q plus W.
4
Exprimer chaque terme avec ses grandeurs mesurables, notamment Q égal au produit de la masse, de la capacité thermique massique et de l'écart de température.
Un écart de température a la même valeur en degrés Celsius et en kelvins.
5
Contrôler l'homogénéité des unités et vérifier que le sens du transfert va bien du corps chaud vers le corps froid.
5
Se tester
Touches 1 à 4
Physique-ChimiePremière
Question 1
Un radiateur électrique transmet Q=1500 J à l'air d'une pièce en 30 secondes. Quelle est la puissance thermique P du radiateur ?
Aucun compte requis — réponds, la correction s'affiche aussitôt.
Thermodynamique — Température et échanges thermiques : c'est en quelle classe ?+
Ce chapitre est au programme de Physique-Chimie au lycée, en classe de Première, année du Bac de français. Il est défini par le Bulletin Officiel de l'Éducation nationale, le texte de référence qui fixe ce qui doit être enseigné dans chaque matière.
Que faut-il savoir sur Thermodynamique — Température et échanges thermiques ?+
Premier principe de la thermodynamique : ΔU = Q + W. Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement. Capacité thermique Q = m × c × ΔT. Bilan énergétique. Les notions à maîtriser sont : thermodynamique, échange thermique, conduction, convection, rayonnement, capacité thermique.
Où télécharger la fiche PDF de Thermodynamique — Température et échanges thermiques ?+
Sur cette page, dans le bloc « Imprimer » : 3 documents à télécharger — le cours, les exercices et le corrigé — soit 6 pages au format A4, prêtes à imprimer. Le téléchargement est gratuit, immédiat, et ne demande ni compte ni adresse e-mail.
Le corrigé de Thermodynamique — Température et échanges thermiques est-il fourni ?+
Oui, et c'est un document à part : chaque exercice y est repris étape par étape, avec le barème détaillé en fin de fiche — ce qui est attendu, combien de points, et ce qui fait perdre le point. Un parent qui ne se souvient plus du programme peut corriger une copie avec.
Thermodynamique — Température et échanges thermiques peut-il tomber au Bac de français ?+
Ce chapitre fait partie du programme officiel de Première, il entre donc dans le périmètre du Bac de français. Le sujet exact varie chaque année et aucun chapitre n'est garanti, mais l'ensemble du programme de l'année est susceptible d'être évalué : mieux vaut ne pas parier sur des impasses.
Comment réviser Thermodynamique — Température et échanges thermiques efficacement ?+
Commence par lire la fiche de révision pour remettre la règle en place, puis enchaîne immédiatement sur le quiz de cette page. Répondre juste après avoir lu ne suffit pas : reviens sur le chapitre deux ou trois jours plus tard. C'est l'espacement des révisions, plus que leur durée, qui fait tenir une notion en mémoire. Une session de quinze minutes répétée vaut mieux qu'une heure unique.
Faut-il un compte pour s'entraîner sur Thermodynamique — Température et échanges thermiques ?+
Non. Les quiz, les corrections détaillées et les fiches de révision sont accessibles sans créer de compte et sans donner d'adresse e-mail. Le compte gratuit sert uniquement à conserver la progression d'un appareil à l'autre.