Premier principe de la thermodynamique

« Spécialité Physique-chimie Thème 3 : Energie : conservation et transferts Chapitre 16 : Premier principe de la thermodynamique S’ exercer Mémoriser (Manuel scolaire pages 396 à 427) Je mémorise : • • • Utiliser une fiche de cours : L’essentiel à retenir (p.407) Utiliser une carte mentale (sur papier ou à l’aide de FreeMind) ou réaliser une fiche synthèse. Apprendre les notions en espaçant les séances pour une mémorisation à long terme. Je m’entraine : • • • • Pour vérifier les acquis : Situations p.396 (corrections FlashPAGE) Vérifier l’essentiel : p.407 QCM interactif : application FlashPAGE p.

408 Exercices résolus : p.409-427 Je vérifie : • • Se tester • • • • • • Citer les différentes contributions microscopiques à l’énergie interne d’un système. Prévoir le sens d’un transfert thermique. Distinguer, dans un bilan d’énergie, le terme correspondant à la variation de l’énergie du système des termes correspondant à des transferts d’énergie entre le système et l’extérieur. Exploiter l’expression de la variation d’énergie interne d’un système incompressible en fonction de sa capacité thermique et de la variation de sa température pour effectuer un bilan énergétique. Caractériser qualitativement les trois modes de transfert thermique : conduction, convection, rayonnement. Exploiter la relation entre flux thermique, résistance thermique et écart de température, l’expression de la résistance thermique étant donnée. Effectuer un bilan quantitatif d’énergie pour estimer la température terrestre moyenne, la loi de Stefan Boltzmann étant donnée.

Discuter qualitativement de l’influence de l’albédo et de l’effet de serre sur la température terrestre moyenne. Effectuer un bilan d’énergie pour un système incompressible échangeant de l’énergie par un transfert thermique modélisé à l’aide de la loi de Newton fournie Établir l’expression de la température du système en fonction du temps.

Suivre et modéliser l’évolution de la température Capacité mathématique : Résoudre une équation différentielle linéaire du premier ordre à coefficients constants avec un second membre constant. NOTIONS DE COURS Rappels : QCM de révision ( https://www.lelivrescolaire.fr/page/16266432 ) 1.

La relation entre l’énergie mécanique Em, l’énergie cinétique Ec et l’énergie potentielle de pesanteur Epp est :  a.

Em=Ec−Epp  b.

Em=Ec+Epp  c.

Epp=Em−Ec 2.

Un récepteur reçoit une puissance P pendant une durée Δt.

L’énergie reçue E vaut alors :  a.

E=P/Δt  b.

E=Δt/P  c.

E=P⋅Δt 3.

En notant α l’angle entre les directions des vecteurs, le travail W(𝐹⃗ ) d’une force F sur un chemin AB est égal à : ⃗⃗⃗⃗⃗⃗  a.

W(𝐹⃗ )= 𝐹⃗ ⋅𝐴𝐵  b.

W(𝐹⃗ )= 𝐹⃗ ⋅AB  ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⋅cos(α) c.

𝐹⃗ ⋅𝐴𝐵 4.

Le travail W est homogène à :  a.

une force,  b.

une puissance,  c.

une énergie. 5.

Une réaction chimique qui absorbe de l’énergie thermique est dite :  a.

endothermique,  b.

exothermique,  c.

athermique. 6.

La formation de liaisons covalentes d’une molécule :  a.

nécessite un apport d’énergie,  b.

libère de l’énergie,  c.

ne libère ni ne nécessite d’énergie. 1.

Énergie interne d’un système L’énergie interne U d’un système macroscopique est son énergie propre.

Elle s’exprime en Joule (J). Elle résulte : → des énergies cinétiques microscopiques liée à l’agitation thermique des particules qui constituent le système → des énergie potentielles dues aux interactions entre les particules, interactions intramoléculaires ou intermoléculaires. L’énergie interne n’est pas directement calculable, on pourra déterminer néanmoins sa variation ΔU. 2.

Le premier principe de la thermodynamique 1) Energie totale d’un système L’énergie totale d’un système fermé (qui n’échange pas de matière avec l’extérieur) est la somme de son énergie interne U d’origine microscopique et de son énergie mécanique E m d’origine macroscopique. Etotale = U + Em Pour un système au repos à l’échelle macroscopique, son énergie mécanique macroscopique est constante : Em = constante La variation d’énergie totale d’un système au repos à l’échelle macroscopique est donc égale à sa variation d’énergie interne : Δ Etot = Δ U 2) Premier principe de la thermodynamique Le premier principe de la thermodynamique dit que si un système fermé au repos a son énergie qui varie, c’est qu’il échange avec l’extérieur de l’énergie soit sous forme de travail (W, en J) soit sous forme de transfert thermique (Q, en J) : ΔU = Uf − Ui = W + Q Le travail W mesure la quantité d’énergie échangée entre le système et le milieu extérieur par déplacement macroscopique (par définition, W = F  AB ), par exemple, un piston qui coulisse. Le gaz contenu dans un cylindre est déplacé sur une distance ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐴𝐵 par un piston ⃗⃗⃗⃗.

Le système reçoit un travail sur lequel s’exerce une force pressante 𝐹 ⃗⃗) = ⃗𝑭⃗.

→ 𝑾AB (𝑭 AB = 𝑭.

𝒅 Il est compté positivement quand le système reçoit du travail, négativement quand le système cède du travail à l’extérieur. Rappels : Le travail est un mode de transfert d’énergie d’un système thermodynamique vers l’extérieur ou inversement. ⃗⃗) = 𝑭 ⃗⃗.

→ ⃗̂ ⃗, → 𝑾AB (𝑭 AB = F.AB.cos(𝑭 AB) = F.AB.cos() avec WAB (𝐹⃗ ) en joule (J), F en Newton(N), AB en (m). Le transfert thermique correspond à l’échange d’énergie entre le système et le milieu extérieur à l’échelle microscopique correspondant à l’agitation thermique. Par convention, elle est comptée positivement quand le système reçoit de l’énergie thermique et négativement quand il en cède à l’extérieur. Exercices 18 et 19 p 409 3.

Énergie interne d’un système incompressible Lorsqu’un système incompressible (liquide ou solide) de masse constante m, constitué d’un seul matériau de capacité thermique C évolue d’un état initial à un état final, la variation de son énergie interne (Δ U) est proportionnelle à la variation de sa température Δ T entre l’état initial et l’état final : Δ U en joules (J) Δ T en Kelvin (K) Δ U = C.

Δ T = C (Tf – Ti) C capacité thermique en J.K–1 La capacité thermique du système C, est une grandeur qui traduit l’énergie qu’il faut transférer au système pour augmenter sa température de 1 kelvin ; unité : J.K–1. Remarques : • On utilise souvent la capacité thermique massique c : C = m.c avec m en kg et c en J.kg–1 K–1. • D’après le 1er principe : Δ U = W + Q = C.

Δ T si le système fermé et incompressible est au repos, alors W = 0 et on a : Q = C.

Δ T 4.

Transferts et flux thermiques 1) Transfert thermique Le transfert thermique est l’échange d’énergie à l’échelle microscopique entre un système thermodynamique au repos et le milieu extérieur. L’énergie thermique transférée Q mesure la quantité d’énergie échangée.

Elle est exprimée en joules (J).

Par convention, elle est comptée positivement quand le système reçoit de l’énergie thermique, négativement quand il en cède à l’extérieur. Exemple Lors d’une réaction de combustion, le système cède une énergie Q au milieu extérieur La puissance thermique moyenne associée au transfert de l’énergie thermique Q pendant la durée t est le quotient : Q en joules (J) 𝑸 t en secondes (s) 𝑷𝒕𝒉 = 𝒕 Pth en watts (W) Exemple Un dipôle ohmique de résistance R parcouru par un courant électrique d’intensité I transforme l’énergie électrique en énergie thermique : c’est l’effet Joule.

La puissance thermique associée vaut P = RI2. Pour R = 4,7 k et I = 1 A, calculer l’énergie thermique produite par seconde P = 4,7 kW = 4,7 kJ·s−1 : l’effet Joule produit chaque seconde une énergie thermique Q = 4,7 kJ. Sens spontané d’un transfert thermique Le transfert thermique se fait toujours du milieu qui à la température la plus élevée (corps chaud) vers le milieu qui a la température la plus froide (corps froid). Les 3 modes de transferts thermiques ( https://youtu.be/AlhPTS5LC-4 ) 2) Flux thermique Une paroi plane dont deux faces sont à des températures différentes T 1 et T2 sont le siège d’un transfert thermique par conduction.

Spontanément, le transfert se fait de la source chaude vers la source froide, c’est donc un transfert irréversible. On définit le flux thermique, noté , comme étant l’énergie Q du transfert thermique passant à travers cette paroi par unité de temps :  = Q t avec ɸ en watt (W), Q en joules (J) et Δt en s. 3) Résistance thermique La résistance thermique Rth d’un corps traduit sa capacité à s’opposer au flux thermique. Pour une même différence de température entre les deux surfaces, le flux thermique est d’autant plus faible que la résistance thermique est importante.... »