Retour à la page d'accueilPhysique-chimie · Terminale (maths expertes) · Changer de matière
Commencer gratuitement
Terminale (maths expertes) · Physique-chimie
Préparer l'épreuve de spécialité physique-chimie du bac · Épreuve écrite de spécialité physique-chimie

Énergie et thermodynamique

Un matin d'hiver à Dijon, la pression de tes pneus est plus basse que la veille. Ta tasse de café refroidit sur la table. Les murs d'une maison mal isolée « laissent partir » la chaleur. Et la Terre, éclairée par le Soleil, garde une température à peu près stable. Au bac, ces situations se traitent avec le même fil conducteur : un système, un bilan d'énergie, un modèle. Cette page rassemble les outils à maîtriser pour l'exercice « énergie » de l'épreuve écrite.

Le gaz parfait

Dans un gaz, les molécules sont très éloignées les unes des autres et s'agitent dans tous les sens. Chaque choc sur la paroi exerce une force : la pression $P$ est la valeur moyenne de ces chocs par unité de surface. Plus le gaz est chaud, plus l'agitation est grande, donc plus la pression est forte (à volume fixé).

Le modèle du gaz parfait néglige les interactions entre molécules et leur volume propre. Il est valable à pression modérée et à température pas trop basse (air à pression atmosphérique, par exemple). Il cesse d'être valable à très haute pression (gaz comprimé à plusieurs centaines de bars) ou près de la liquéfaction.

La température thermodynamique $T$ est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne d'agitation des particules. C'est pour cela que l'équation d'état utilise toujours des kelvins : $T=0$ correspond à l'absence d'agitation.

Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
Un automobiliste vérifie la pression de ses pneus à Dijon. L'air contenu dans un pneu est assimilé à un gaz parfait. À la température $\theta_1 = 15~°\text{C}$, la…

Un automobiliste vérifie la pression de ses pneus à Dijon. L'air contenu dans un pneu est assimilé à un gaz parfait. À la température $\theta_1 = 15~°\text{C}$, la pression absolue dans un pneu est $P_1 = 2{,}2~\text{bar}$ et le volume intérieur est $V = 45~\text{L}$, supposé constant.

Données : $R = 8{,}314~\text{J·K}^{-1}\text{·mol}^{-1}$ ; $1~\text{bar} = 1{,}0\times10^{5}~\text{Pa}$ ; $T(\text{K}) = \theta(°\text{C}) + 273$.

  1. Rappeler l'équation d'état du gaz parfait et indiquer l'unité de chaque grandeur dans le système international.

  2. Calculer la quantité de matière d'air contenue dans le pneu à $\theta_1$.

  3. Après un trajet sur autoroute, la température de l'air dans le pneu atteint $\theta_2 = 40~°\text{C}$. Calculer la pression $P_2$ dans le pneu, le volume et la quantité de matière restant inchangés.

  4. Interpréter qualitativement l'augmentation de pression en termes de comportement microscopique des molécules de gaz.

Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
Un plongeur à Marseille utilise une bouteille de volume intérieur $V_b = 12~\text{L}$ remplie d'air comprimé à la pression $P_b = 200~\text{bar}$ et à la température…

Un plongeur à Marseille utilise une bouteille de volume intérieur $V_b = 12~\text{L}$ remplie d'air comprimé à la pression $P_b = 200~\text{bar}$ et à la température $T_b = 293~\text{K}$. L'air est assimilé à un gaz parfait, de masse molaire moyenne $M = 29~\text{g·mol}^{-1}$. Pour des raisons de sécurité, le plongeur remonte lorsque la pression dans la bouteille atteint $50~\text{bar}$.

Données :

  • constante des gaz parfaits : $R = 8{,}314~\text{J·K}^{-1}\text{·mol}^{-1}$ ;

  • pression atmosphérique : $P_{\text{atm}} = 1{,}013\times10^{5}~\text{Pa}$ ;

  • masse volumique de l'eau de mer : $\rho = 1{,}00\times10^{3}~\text{kg·m}^{-3}$ ;

  • intensité de la pesanteur : $g = 9{,}81~\text{m·s}^{-2}$ ;

  • $1~\text{bar} = 1{,}0\times10^{5}~\text{Pa}$.

  • Calculer la quantité de matière d'air contenue dans la bouteille pleine et la masse volumique de l'air comprimé. Discuter la validité du modèle du gaz parfait à cette pression.

  • Calculer la quantité de matière d'air exploitable par le plongeur entre l'état « bouteille pleine » et l'état « réserve de sécurité » à 50 bar, la température restant égale à $T_b$.

  • La pression à la profondeur $z = 20~\text{m}$ est $P_z = P_{\text{atm}} + \rho g z$. Calculer sa valeur. Lors de la respiration, le plongeur inspire à chaque minute un volume de $20~\text{L}$ d'air à la pression ambiante $P_z$ et à la température $293~\text{K}$. Calculer la quantité de matière d'air consommée par minute à cette profondeur, puis la durée d'autonomie à cette profondeur.

  • Montrer que, pour un même volume inspiré par minute, la durée d'autonomie à $z = 0$ est environ trois fois supérieure à celle obtenue à $20~\text{m}$. Justifier à l'aide de l'équation d'état.

  • Après une plongée prolongée, l'eau de mer est à $285~\text{K}$ et la bouteille, à l'équilibre thermique avec l'eau, est à cette température. Calculer la pression dans la bouteille, sachant qu'elle contenait initialement de l'air à 200 bar et 293 K, la quantité de matière étant constante. Interpréter ce résultat en termes d'énergie cinétique microscopique des molécules.

Résoudre

Premier principe et système incompressible

Un système a une énergie interne $U$ : somme des énergies cinétiques microscopiques (agitation) et des énergies potentielles microscopiques (interactions entre particules). On ne mesure jamais $U$ elle-même, seulement ses variations, liées aux échanges avec l'extérieur.

Pour un liquide ou un solide, on utilise le modèle du système incompressible : son volume ne varie pas, donc $W$ de pression est nul et :

Pourquoi $\Delta U \propto \Delta T$ ? Chauffer, c'est augmenter l'agitation des particules, donc l'énergie cinétique microscopique : l'énergie interne croît avec la température.

Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
Un chauffe-eau électrique contient une masse $m = 150~\text{kg}$ d'eau liquide, assimilée à un système incompressible, initialement à $\theta_i = 15~°\text{C}$. L'eau…

Un chauffe-eau électrique contient une masse $m = 150~\text{kg}$ d'eau liquide, assimilée à un système incompressible, initialement à $\theta_i = 15~°\text{C}$. L'eau est chauffée jusqu'à $\theta_f = 55~°\text{C}$. Le chauffe-eau est alimenté par une résistance chauffante de puissance $P = 2{,}0~\text{kW}$. Les pertes thermiques vers l'extérieur sont négligées.

Données : capacité thermique massique de l'eau liquide, $c = 4\,180~\text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}$.

  1. Rappeler l'expression de la variation d'énergie interne $\Delta U$ d'un système incompressible en fonction de sa capacité thermique massique, de sa masse et de la variation de température.

  2. Calculer la variation d'énergie interne de l'eau.

  3. En appliquant le premier principe de la thermodynamique à l'eau, en supposant que le travail électrique reçu est la seule forme de transfert, déterminer l'énergie fournie par la résistance chauffante, puis la durée de chauffe.

  4. Exprimer cette énergie en kilowattheure.

Résoudre
Entraîne-toi★★☆Pas commencé
Pour déterminer la capacité thermique massique d'un métal, un élève de lycée utilise un calorimètre dont la capacité thermique est…

Pour déterminer la capacité thermique massique d'un métal, un élève de lycée utilise un calorimètre dont la capacité thermique est $C_{\text{cal}} = 120~\text{J·K}^{-1}$. Le calorimètre contient une masse $m_e = 250~\text{g}$ d'eau à la température $\theta_i = 18{,}0~°\text{C}$. L'élève plonge dans l'eau un échantillon de métal de masse $m = 100~\text{g}$ préalablement chauffé à $\theta_m = 95{,}0~°\text{C}$. Après agitation, la température d'équilibre est $\theta_f = 20{,}9~°\text{C}$.

Données :

  • capacité thermique massique de l'eau : $c_e = 4\,180~\text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}$ ;

  • capacités thermiques massiques de quelques métaux : fer $450$, cuivre $385$, zinc $390$, aluminium $900$ (en $\text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}$).

  • Définir le système choisi pour l'étude et justifier qu'il peut être considéré comme isolé pendant la durée de l'expérience.

  • Appliquer le premier principe de la thermodynamique à ce système isolé et établir la relation entre les variations d'énergie interne de l'eau, du calorimètre et du métal.

  • Établir l'expression de la capacité thermique massique $c$ du métal, puis la calculer.

  • Identifier le métal en comparant avec les valeurs du tableau, en justifiant.

  • Citer deux causes d'erreur systématique de la mesure et indiquer leur effet probable sur la valeur trouvée.

Résoudre

Transferts thermiques : modes, flux, résistance

Un transfert thermique se produit dès qu'il existe un écart de température. Il existe trois modes de transfert thermique :

  • la conduction : transfert de proche en proche, sans déplacement de matière (une cuillère dans une soupe chaude) ;

  • la convection : transfert avec déplacement de matière dans un fluide (l'air chaud monte au-dessus d'un radiateur) ;

  • le rayonnement : transfert par ondes électromagnétiques, possible même dans le vide (le Soleil chauffe la Terre).

Mur plan traversé par un flux thermique de l'intérieur chaud vers l'extérieur froid mur (Rth) Intérieur Tint Extérieur Text Φ e : épaisseur

Le flux thermique $\Phi$ est l'énergie transférée par unité de temps : $\Phi = \dfrac{Q}{\Delta t}$, en watts. Une paroi s'oppose au passage du flux : c'est sa résistance thermique $R_{th}$ (en $\text{K·W}^{-1}$).

Le porteur du raisonnement : plus la paroi est épaisse ou isolante (λ petit), plus $R_{th}$ est grande, donc plus le flux est faible pour un même $\Delta T$. Plus la surface est grande, plus le flux est grand.

Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
Un mur d'une maison, de surface $S = 12~\text{m}^2$, est isolé par une couche de laine de verre d'épaisseur $e = 20~\text{cm}$ et de conductivité thermique…

Un mur d'une maison, de surface $S = 12~\text{m}^2$, est isolé par une couche de laine de verre d'épaisseur $e = 20~\text{cm}$ et de conductivité thermique $\lambda = 0{,}040~\text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}$. On suppose que ce mur est constitué uniquement de cette couche de laine de verre. La température intérieure est $\theta_{\text{int}} = 19~°\text{C}$ et la température extérieure est $\theta_{\text{ext}} = -1~°\text{C}$.

Pour une paroi plane, la résistance thermique est donnée par $R_{th} = \dfrac{e}{\lambda S}$ et le flux thermique par $\Phi = \dfrac{\Delta T}{R_{th}}$.

  1. Citer les trois modes de transfert thermique et indiquer celui qui prédomine à travers la couche de laine de verre.

  2. Calculer la résistance thermique de la paroi.

  3. Calculer le flux thermique à travers la paroi, et indiquer son sens en justifiant.

  4. Calculer l'énergie transférée à travers le mur en 24 h, en joule puis en kilowattheure.

Résoudre

Loi de Newton du refroidissement

Une tasse de café refroidit d'autant plus vite qu'elle est chaude par rapport à la pièce. Modèle : le flux cédé est proportionnel à l'écart de température, $\Phi = h\,(T - T_{\text{ext}})$. On établit alors l'évolution $T(t)$ par un bilan d'énergie.

Le temps caractéristique $\tau = C/h$ (en secondes) mesure la rapidité du phénomène : au bout de $\tau$, il reste $37\ \%$ de l'écart initial ; au bout de $5\tau$, le système est quasiment à $T_{\text{ext}}$. Avec $h = 1/R_{th}$, on a aussi $\tau = R_{th}\,C$.

Entraîne-toi★★☆Pas commencé
Une tasse de café, de capacité thermique $C$, est posée sur une table dans une pièce à la température constante $\theta_{\text{ext}} = 20~°\text{C}$. À $t = 0$, le café…

Une tasse de café, de capacité thermique $C$, est posée sur une table dans une pièce à la température constante $\theta_{\text{ext}} = 20~°\text{C}$. À $t = 0$, le café est à la température $\theta_0 = 85~°\text{C}$. On suppose que le flux thermique cédé par le café au milieu extérieur est proportionnel à l'écart de température : $\Phi = h\,(T - T_{\text{ext}})$, avec $h$ une constante, où $T$ désigne la température du café à l'instant $t$, $T_{\text{ext}}$ celle de la pièce et $T_0$ la température initiale (seuls des écarts de température intervenant, on pourra les exprimer indifféremment en °C ou en K).

  1. Appliquer le premier principe au système {café + tasse} entre $t$ et $t + \mathrm{d}t$ pour établir l'équation différentielle $\dfrac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} + \dfrac{T}{\tau} = \dfrac{T_{\text{ext}}}{\tau}$, en exprimant $\tau$ en fonction de $C$ et $h$.

  2. Résoudre cette équation et établir l'expression $T(t) = T_{\text{ext}} + (T_0 - T_{\text{ext}})\,e^{-t/\tau}$.

  3. On mesure $\theta(10~\text{min}) = 53{,}4~°\text{C}$. Déterminer la valeur de $\tau$ en minutes.

  4. Calculer la durée au bout de laquelle le café atteint la température $\theta = 40~°\text{C}$.

  5. On résout numériquement l'équation par la méthode d'Euler avec un pas $\Delta t = 0{,}5~\text{min}$. Compléter les deux lignes repérées par # À COMPLÉTER.

import numpy as np

T_ext = 20.0

T0 = 85.0

tau = 15.0        # en minutes

dt = 0.5

t = [0.0]

T = [T0]

while T[-1] > 40:

    dTdt = ...                    # À COMPLÉTER

    T.append(...)                 # À COMPLÉTER : schéma d'Euler

    t.append(t[-1] + dt)

print(f"Durée : {t[-1]:.1f} min")
Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
Une petite maison à ossature légère, à Clermont-Ferrand, est assimilée à un système de capacité thermique $C = 1{,}0\times10^{7}~\text{J·K}^{-1}$, de température…

Une petite maison à ossature légère, à Clermont-Ferrand, est assimilée à un système de capacité thermique $C = 1{,}0\times10^{7}~\text{J·K}^{-1}$, de température intérieure uniforme $T(t)$. Elle est séparée de l'extérieur, de température constante $T_{\text{ext}} = 278~\text{K}$ ($5~°\text{C}$), par des parois de résistance thermique globale $R_{th} = 5{,}0\times10^{-3}~\text{K·W}^{-1}$. Un chauffage électrique de puissance constante $P = 3{,}0~\text{kW}$ est mis en marche à $t = 0$, alors que $T(0) = T_{\text{ext}}$.

  1. Exprimer le flux thermique $\Phi$ perdu par la maison vers l'extérieur en fonction de $T$, $T_{\text{ext}}$ et $R_{th}$. Appliquer le premier principe à la maison entre $t$ et $t + \mathrm{d}t$ pour établir l'équation différentielle
$$\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} + \frac{T}{\tau} = \frac{T_{\text{ext}}}{\tau} + \frac{P}{C}, \quad \tau = R_{th}C.$$
  1. Calculer $\tau$ en secondes puis en heures. Établir la température limite $T_\infty$ atteinte aux temps longs et la calculer.

  2. Établir l'expression de $T(t)$ avec la condition initiale donnée, puis calculer la durée nécessaire pour atteindre $T = 291~\text{K}$ ($18~°\text{C}$). Exprimer cette durée en heures.

  3. Calculer la puissance minimale de chauffage permettant de maintenir indéfiniment $T = 292~\text{K}$ ($19~°\text{C}$), et la comparer à $P$.

  4. Le programme suivant résout numériquement l'équation différentielle par la méthode d'Euler avec un pas de $600~\text{s}$. Compléter les deux lignes repérées par # À COMPLÉTER.

import numpy as np

C = 1.0e7

R = 5.0e-3

P = 3000.0

T_ext = 278.0

dt = 600.0

t = 0.0

T = T_ext

while T < 291.0:

    dTdt = ...             # À COMPLÉTER

    T = ...                # À COMPLÉTER : schéma d'Euler

    t = t + dt

print(f"Durée : {t/3600:.1f} h")
  1. L'isolation des parois est améliorée de sorte que $R_{th}$ est multipliée par 2. Indiquer, sans refaire tous les calculs, l'effet sur $T_\infty$ et sur $\tau$.
Résoudre

Bilan énergétique de la Terre et effet de serre

La température moyenne de la Terre est stable : en moyenne, la puissance reçue du Soleil est égale à la puissance rayonnée vers l'espace. Écrire cet équilibre est le principe de tous les modèles de climat.

Bilan énergétique de la Terre : puissance solaire reçue, partie réfléchie, rayonnement émis Soleil S (W·m⁻²) Terre réfléchi : a·S émis : σ·T⁴

La Terre intercepte le rayonnement solaire sur un disque de surface $\pi R_T^2$, mais elle rayonne sur toute sa sphère de surface $4\pi R_T^2$. D'où le facteur $4$.

Pour la Terre avec $a = 0{,}30$ et $S = 1\,361\ \text{W·m}^{-2}$, ce modèle donne environ $255\ \text{K}$ ($-18\ °\text{C}$), alors que la température moyenne observée est proche de $288\ \text{K}$ ($15\ °\text{C}$). La différence vient de l'effet de serre : l'atmosphère est transparente au rayonnement visible du Soleil, mais absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface et en renvoie une partie vers le sol.

Entraîne-toi★★☆Pas commencé
On modélise le bilan énergétique de la Terre. Le Soleil fournit au sommet de l'atmosphère une puissance surfacique moyenne $S = 1\,361~\text{W·m}^{-2}$ sur une surface…

On modélise le bilan énergétique de la Terre. Le Soleil fournit au sommet de l'atmosphère une puissance surfacique moyenne $S = 1\,361~\text{W·m}^{-2}$ sur une surface perpendiculaire à ses rayons. La Terre, de rayon $R_T$, a un albédo $a = 0{,}30$. On rappelle la loi de Stefan-Boltzmann : une surface de température $T$ rayonne une puissance surfacique $\varphi = \sigma T^4$, avec $\sigma = 5{,}67\times10^{-8}~\text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-4}$.

  1. Définir l'albédo. Montrer que la puissance solaire moyenne absorbée par unité de surface terrestre (toute la sphère) vaut $\dfrac{(1-a)\,S}{4}$, et calculer sa valeur.

  2. Dans un modèle sans atmosphère, la Terre est à l'équilibre radiatif : la puissance absorbée est égale à la puissance émise. Établir l'expression de la température d'équilibre $T_{\text{eq}}$ puis calculer sa valeur, en kelvin et en degré Celsius.

  3. La température moyenne observée à la surface de la Terre est $T_{\text{obs}} = 288~\text{K}$. Calculer la puissance surfacique rayonnée par le sol à cette température.

  4. Comparer les résultats des questions 2 et 3 et expliquer le rôle de l'effet de serre dans cet écart. Indiquer deux gaz à effet de serre d'origine naturelle ou anthropique.

Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
Pour estimer l'effet de serre, on propose un modèle à deux couches : la surface terrestre, de température $T_s$, et une atmosphère modélisée par une couche unique de…

Pour estimer l'effet de serre, on propose un modèle à deux couches : la surface terrestre, de température $T_s$, et une atmosphère modélisée par une couche unique de température uniforme $T_a$. L'atmosphère est parfaitement transparente au rayonnement solaire visible. Elle absorbe une fraction $\varepsilon$ du rayonnement infrarouge émis par la surface et le reste est transmis à l'espace. Elle émet un rayonnement infrarouge de puissance surfacique $\varepsilon\sigma T_a^4$ vers le haut et la même puissance vers le bas.

Données : $S = 1\,361~\text{W·m}^{-2}$ ; albédo $a = 0{,}30$ ; $\sigma = 5{,}67\times10^{-8}~\text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-4}$ ; la puissance surfacique solaire moyenne absorbée par le sol est $\dfrac{(1-a)\,S}{4}$.

  1. Calculer la puissance surfacique moyenne $\varphi_s = \dfrac{(1-a)\,S}{4}$ absorbée par la surface.

  2. Écrire le bilan d'énergie de l'atmosphère à l'équilibre et en déduire, pour $\varepsilon \neq 0$, la relation $T_a^4 = \dfrac{T_s^4}{2}$.

  3. Écrire le bilan d'énergie de l'ensemble {surface + atmosphère} à l'équilibre au sommet de l'atmosphère, puis établir la relation

$$\sigma T_s^4\left(1-\frac{\varepsilon}{2}\right) = \varphi_s.$$
  1. Calculer la température $T_s$ prévue par ce modèle pour $\varepsilon = 0$, puis pour $\varepsilon = 1$.

  2. Déterminer la valeur de $\varepsilon$ pour laquelle le modèle reproduit la température moyenne observée $T_s = 288~\text{K}$, puis calculer la température $T_a$ de l'atmosphère correspondante.

  3. Discuter les limites de ce modèle, en proposant deux phénomènes physiques qui n'y sont pas pris en compte.

Résoudre

L'essentiel

  • Gaz parfait : $PV = nRT$ avec $P$ en Pa, $V$ en $\text{m}^3$, $T$ en K. Valable à pression modérée.

  • Premier principe : $\Delta U = W + Q$. Système incompressible : $\Delta U = C\,\Delta T = m\,c\,\Delta T$. Système isolé : $\Delta U_{\text{total}} = 0$.

  • Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement. $\Phi = \Delta T / R_{th}$ et $R_{th} = e/(\lambda S)$ pour une paroi plane.

  • Loi de Newton : $\dfrac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} + \dfrac{T}{\tau} = \dfrac{T_{\text{ext}}}{\tau}$, soit $T(t) = T_{\text{ext}} + (T_0 - T_{\text{ext}})\,\mathrm{e}^{-t/\tau}$, avec $\tau = C/h = R_{th}\,C$.

  • Bilan Terre-atmosphère : $\dfrac{(1-a)S}{4} = \sigma T^4$ sans atmosphère ; l'effet de serre élève la température d'équilibre.

  • Méthode du bac : définir le système, écrire le bilan d'énergie, convertir les unités, vérifier l'ordre de grandeur du résultat.

Retour au début : la pression du pneu baisse avec la température (gaz parfait à volume constant), le café refroidit selon une exponentielle de temps caractéristique $\tau$, le mur isole d'autant mieux que sa résistance thermique est grande, et la Terre garde une température stable quand puissance reçue et puissance émise s'équilibrent.

Voir tous les exercices de cette partie