L’énergie : conversions et transferts
Cette troisième partie du programme de l’enseignement de spécialité physique-chimie de la classe terminale de la voie générale est dédié au thème de l’énergie. Elle inclut deux chapitres :
- Chapitre 1 : Décrire un système thermodynamique : exemple du modèle du gaz parfait
- Chapitre 2 : Effectuer des bilans d’énergie sur un système : le premier principe de la thermodynamique
Mots clés et notions importantes : énergie, thermodynamique, conversion d’énergie, transfert d’énergie, modèle du gaz parfait, masse volumique, pression, température, équation d’état du gaz parfait, bilan d’énergie, évolution temporelle de la température, thermostat, flux thermique, résistance thermique, équilibre thermique, mode de transfert d’énergie, conduction, convection, rayonnement, température terrestre, bilan radiatif, système terre-atmosphère, albédo, effet de serre.
Prérequis
Les notions abordées en classe de première à revoir : Énergie cinétique, énergie potentielle, théorème de l’énergie cinétique, la loi de Mariotte, effet de joule, conversion d’énergie, rendement d’un convertisseur, rayonnement solaire, bilan radiatif terrestre.
Objectifs du chapitre 1
- Relier qualitativement les valeurs de grandeurs macroscopiques mesurées aux propriétés du système microscopique.
- Exploiter l’équation d’état du gaz parfait pour décrire le comportement d’un gaz
- Identifier quelques limites du modèle de gaz parfait.
Objectifs du chapitre 2
- Comprendre les modes de transfert d’énergie.
- Relier écart de température, flux et résistance thermiques.
- Effectuer un bilan d’énergie et estimer la température terrestre en discutant de l’influence de l’albédo et de l’effet de serre.
- Établir l’expression de la température d’un système en fonction du temps.
- Modéliser et suivre l’évolution de la température
Introduction
La thermodynamique est une branche de la physique qui permet de comprendre comment l’énergie se transfère et se transforme et d’étudier le comportement thermique des systèmes. Elle permet d’étudier les échanges et conversions d’énergie, en particulier la chaleur et le travail, entre systèmes contenant un grand nombre de particules. La thermodynamique repose sur des principes dont au moins un est enseigné au programme de la spécialité physique-chimie de la classe terminale.
Un système thermodynamique est un ensemble constitué d’un nombre élevé de particules microscopiques. Ce système peut être ouvert ou fermé selon qu’il échange de la matière avec l’extérieur. Il peut être aussi isolé ou non selon qu’il échange de l’énergie avec l’extérieur.
Quelques exemples d’applications de la thermodynamique
- Moteurs thermiques (voitures, avions)
- Réfrigération (frigos, climatiseurs)
- Physique des étoiles
- Transformation de la matière
- Bioénergétique dans les cellules
Le modèle du gaz parfait
En physique et en chimie, un gaz parfait est un modèle théorique fondamentale en thermodynamique utilisé pour décrire le comportement des gaz sous des conditions idéales. Ce modèle repose sur plusieurs hypothèses. Il permet de décrire le comportement de n’importe quel gaz à condition que l’on puisse négliger les interactions qui peuvent exister entre les particules. Comme tout modèle, celui du du gaz parfait a des limites.
On rappelle l’équation d’état du modèle du gaz parfait :
\[ P*V = n*R*T\]
Avec :
- P : Pression, exprimé en Pascal (Pa).
- V : Volume (m³)
- n : Quantité de matière exprimé en molles (mol).
- R : Constante des gaz parfaits (8,314 J · mol–1 · K–1)
- T : Température, exprimée en Kelvin (k)
Premier principe de la thermodynamique (conservation de l’énergie)
L’énergie interne d’un système change selon la chaleur reçue et le travail fourni.
\[ ΔU = Q-W\]
Avec :
- ΔU : variation de l’énergie interne
- Q : chaleur reçue
- W : travail effectué par le système
Sujet de Bac en lien avec ce chapitre
- Bac Métropole Septembre 2021, sujet 2 (exercice 1; volume d’une montgolfière)
- Bac 2023, Centres Etrangers Afrique 1, sujet 1 (exercice 3; four à céramique)
- Bac 2023, Polynésie, sujet 1 (exercice 3; pompe à chaleur et habitation)
- Bac Septembre 2024, Métropole, sujet 1 (exercice 3; étude d’une bouteille isotherme)
Epreuves ECE
- Sujet 25_ECE_BCG_PC_02
Scripts en Python
- Voir notre page qui propose des exemples écrits en Python