Thermodynamique

Comprends la chaleur, l'énergie et les principes qui gouvernent les transformations thermiques

Chapitres

Température et échelles

Celsius, Kelvin, Fahrenheit. Zéro absolu (0 K = −273,15 °C). Agitation thermique

Seconde

Chaleur et transferts thermiques

Conduction, convection, rayonnement. Capacité thermique, chaleur massique

Première

Énergie interne

Énergie cinétique microscopique + énergie potentielle d'interaction. Lien avec la température

Première/Terminale

Transformations

Isotherme, isobare, isochore, adiabatique. Réversibilité et irréversibilité

Terminale

Premier principe

Conservation de l'énergie : ΔU = W + Q. Travail et chaleur échangés

Terminale

Second principe

Entropie, irréversibilité, sens spontané des transformations. Machines thermiques

Terminale

Les 3 modes de transfert thermique

Conduction

Transfert de proche en proche dans la matière, sans déplacement de matière.

Exemple : cuillère métallique dans une casserole chaude

Convection

Transfert par déplacement de matière (fluide chaud qui monte, froid qui descend).

Exemple : radiateur qui chauffe l'air d'une pièce

Rayonnement

Transfert par ondes électromagnétiques (infrarouge). Pas besoin de matière.

Exemple : chaleur du Soleil qui traverse le vide spatial

Formules essentielles

Conversion Celsius-Kelvin

T(K) = θ(°C) + 273,15

Chaleur échangée

Q = m × c × ΔT

Premier principe

ΔU = W + Q

Travail des forces de pression

W = −P × ΔV (transformation isobare)

Gaz parfait

PV = nRT (R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹)

Entropie (2nd principe)

ΔS(univers) ≥ 0 (toujours)

Rendement machine thermique

η = W/Qc ≤ 1 − Tf/Tc (Carnot)

Énergie cinétique moyenne

Ec = (3/2) kB × T

Les 4 transformations thermodynamiques

Type	Condition	Conséquence	Exemple concret
Isotherme	T = constante	ΔU = 0, donc W = −Q	Compression lente d'un gaz dans un thermostat
Isobare	P = constante	W = −PΔV	Chauffage d'un gaz dans un cylindre à piston libre
Isochore	V = constante	W = 0, donc ΔU = Q	Chauffage dans un récipient rigide fermé
Adiabatique	Q = 0 (pas d'échange de chaleur)	ΔU = W	Compression rapide d'un gaz (pompe à vélo)

Exemples résolus

Calcul de chaleur — chauffer de l'eau

Énoncé : Quelle énergie faut-il pour chauffer 2 L d'eau de 20 °C à 100 °C ? (c = 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹)

Solution : Q = m × c × ΔT = 2 × 4180 × (100 − 20) = 2 × 4180 × 80 = 668 800 J ≈ 669 kJ

Gaz parfait — volume à pression constante

Énoncé : Un gaz parfait occupe 5 L à 300 K. Quel volume occupe-t-il à 600 K (pression constante) ?

Solution : Loi de Charles : V₁/T₁ = V₂/T₂ → V₂ = V₁ × T₂/T₁ = 5 × 600/300 = 10 L

Rendement de Carnot

Énoncé : Une machine thermique fonctionne entre Tc = 500 K (source chaude) et Tf = 300 K (source froide). Rendement maximal ?

Solution : η(Carnot) = 1 − Tf/Tc = 1 − 300/500 = 1 − 0,6 = 0,4 = 40 %

Les deux principes de la thermodynamique

1er principe — Conservation

ΔU = W + Q

L'énergie se conserve : la variation d'énergie interne d'un système est égale à la somme du travail W et de la chaleur Q échangés avec l'extérieur.

L'énergie ne se crée ni ne se détruit, elle se transforme.

2nd principe — Entropie

ΔS(univers) ≥ 0

L'entropie de l'univers ne peut qu'augmenter. Les transformations spontanées sont irréversibles. La chaleur va naturellement du chaud vers le froid.

Le désordre augmente toujours — un glaçon fond, il ne se reforme jamais spontanément.

Exercices Thermodynamique

Calculs de chaleur, gaz parfait, rendement

Fiches de révision

Formules, principes, méthodes de résolution