Physique-chimie · Terminale · Thermodynamique et Transferts d'Énergie · 2e Trimestre

Énergie interne et premier principe de la thermodynamique

Les élèves établissent le bilan d'énergie pour un système fermé et calculent le travail des forces de pression.

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• EDNAT.TH.03
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À propos de ce thème

Le premier principe de la thermodynamique est l'expression de la conservation de l'énergie pour un système fermé. Il stipule que la variation de l'énergie interne (ΔU) est égale à la somme des transferts d'énergie par travail (W) et par chaleur (Q). En Terminale, les élèves apprennent à réaliser des bilans énergétiques pour des transformations simples (isobares, isochores).

Ce chapitre introduit également la notion de capacité thermique et l'énergie liée aux changements d'état. Les élèves découvrent que l'énergie peut être stockée de manière invisible au niveau microscopique. Ce sujet est fondamental pour comprendre les machines thermiques, le chauffage domestique ou les processus industriels. L'approche par résolution de problèmes concrets de transferts thermiques permet de manipuler les signes et les grandeurs de manière rigoureuse.

Questions clés

1. Expliquer comment l'énergie interne change lors d'un changement d'état.
2. Justifier l'échauffement d'un gaz lors d'une compression rapide.
3. Calculer le travail reçu par un gaz lors d'une transformation isobare.

Objectifs d'apprentissage

• Calculer le travail des forces de pression reçu par un gaz lors d'une transformation isobare.
• Expliquer la variation de l'énergie interne d'un système fermé lors d'un échange d'énergie thermique et/ou de travail.
• Identifier les transferts d'énergie (chaleur et travail) lors d'un changement d'état d'un corps pur.
• Analyser le bilan énergétique d'un système fermé simple en utilisant le premier principe de la thermodynamique.

Avant de commencer

États de la matière et changements d'état

Pourquoi : Les élèves doivent maîtriser la description des états solide, liquide et gazeux et les transitions entre ces états pour comprendre les échanges d'énergie associés.

Concepts de base de l'énergie

Pourquoi : Une compréhension préalable des notions d'énergie cinétique et potentielle est nécessaire pour appréhender la notion d'énergie interne.

Pression et Volume

Pourquoi : La relation entre pression et volume est fondamentale pour le calcul du travail des forces de pression.

Vocabulaire clé

Énergie interne	Somme des énergies cinétiques et potentielles microscopiques des particules constituant un système. Elle varie lors d'échanges d'énergie avec le milieu extérieur.
Travail des forces de pression	Énergie échangée par un système avec son environnement lorsque son volume varie sous l'action de la pression extérieure. Il est calculé par W = -P_ext * ΔV pour une transformation isobare.
Transfert thermique (chaleur)	Énergie échangée entre un système et son environnement sans travail mécanique, due à une différence de température.
Premier principe de la thermodynamique	Principe de conservation de l'énergie appliqué à un système fermé : la variation de l'énergie interne est égale à la somme du travail reçu et de la chaleur reçue (ΔU = W + Q).
Transformation isobare	Transformation thermodynamique au cours de laquelle la pression du système reste constante.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

Chaleur et température sont la même chose.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La chaleur est un transfert d'énergie, tandis que la température est une variable d'état. On peut apporter de la chaleur sans changer la température (lors d'un changement d'état). L'analogie du compte bancaire (virement vs solde) est très utile.

Idée reçue courante

Un système qui reçoit du travail voit forcément sa température augmenter.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Pas si le système cède simultanément de la chaleur à l'extérieur. Le premier principe ΔU = W + Q montre que c'est le bilan global qui compte pour la variation d'énergie interne.

Idées d'apprentissage actif

Cercle de recherche: Mesure d'une capacité thermique

Les élèves utilisent un calorimètre pour déterminer la capacité thermique d'un métal. Ils mélangent de l'eau chaude et un échantillon froid, puis appliquent le premier principe pour trouver l'inconnue.

60 min·Petits groupes

Penser-Partager-Présenter: Pourquoi le gaz s'échauffe-t-il ?

Lorsqu'on gonfle une roue de vélo, la pompe devient chaude. Est-ce dû aux frottements ou à la compression du gaz ? Les élèves débattent en utilisant le premier principe (W > 0 donc ΔU > 0).

25 min·Binômes

Jeu de simulation: Bilan énergétique d'un changement d'état

À l'aide d'un logiciel, les élèves simulent le chauffage d'un bloc de glace. Ils doivent expliquer pourquoi la température stagne pendant la fusion malgré l'apport continu de chaleur.

40 min·Binômes

Liens avec le monde réel

• Les ingénieurs en génie climatique conçoivent des systèmes de chauffage et de climatisation pour des bâtiments. Ils calculent le travail des forces de pression et les transferts thermiques pour optimiser la consommation d'énergie et le confort des occupants, par exemple dans un immeuble de bureaux à Lyon.
• Les techniciens de maintenance sur les moteurs de voitures appliquent le premier principe pour comprendre l'échauffement des gaz lors de la compression rapide dans les cylindres. Ce phénomène influence l'efficacité du moteur et les émissions polluantes.
• Dans l'industrie agroalimentaire, les procédés de congélation ou de surgélation des aliments impliquent des changements d'état. Les professionnels calculent l'énergie nécessaire pour ces transformations afin de garantir la conservation des produits et de maîtriser les coûts énergétiques des chambres froides.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

Présentez aux élèves un scénario simple : un piston comprime un gaz à pression constante. Demandez-leur de dessiner le système, d'indiquer le signe du travail reçu par le gaz et d'écrire la formule du travail des forces de pression dans ce cas.

Billet de sortie

Sur une carte, demandez aux élèves d'expliquer en une phrase pourquoi l'énergie interne d'un gaz augmente lors d'une compression rapide. Ils doivent utiliser les termes 'travail' et 'chaleur'.

Question de discussion

Posez la question : 'Comment l'énergie interne d'un glaçon change-t-elle lorsqu'il fond complètement dans un verre d'eau à température ambiante ?' Guidez la discussion pour identifier les transferts de chaleur et l'absence de travail des forces de pression.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'énergie interne U ?

C'est la somme des énergies cinétiques microscopiques (agitation) et des énergies potentielles d'interaction entre les particules d'un système. Elle représente l'énergie stockée à l'échelle atomique.

Quelle est la convention de signe pour W et Q ?

Par convention, l'énergie reçue par le système est comptée positivement, et l'énergie cédée par le système à l'extérieur est comptée négativement.

Comment la calorimétrie aide-t-elle à comprendre le premier principe ?

En isolant le système dans un calorimètre, les élèves simplifient le bilan (Q_total = 0). Cela leur permet de voir concrètement comment l'énergie 'perdue' par un corps est 'gagnée' par un autre, validant ainsi la conservation de l'énergie.

Pourquoi la température reste constante pendant la fusion ?

Toute l'énergie thermique apportée (chaleur) est utilisée pour briser les liaisons entre les molécules du solide afin de les rendre mobiles (liquide), au lieu d'augmenter leur agitation thermique.