À propos de cette page
Ce cours de spécialité physique-chimie en terminale sur « Conversions et transferts d'énergie » suit le programme officiel de spécialité physique-chimie de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Énergie et système thermodynamique, Travail W et chaleur Q : deux modes de transfert, Premier principe de la thermodynamique, Transformations thermiques : calorimétrie. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en spécialité physique-chimie.
Au programme
1 · Énergie et système thermodynamique
2 · Travail W et chaleur Q : deux modes de transfert
3 · Premier principe de la thermodynamique
4 · Transformations thermiques : calorimétrie
5 · Conversions d'énergie dans les systèmes mécaniques
6 · Convertisseurs d'énergie et rendement
7 · Bilan énergétique global et enjeux environnementaux
1Énergie et système thermodynamique
En physique-chimie, on appelle système la portion de matière que l'on étudie ; tout ce qui l'entoure est le milieu extérieur. L'ensemble forme l'univers.
Définition — Énergie interne $U$. L'énergie interne d'un système est la somme de l'énergie cinétique microscopique de ses particules (agitation thermique) et de l'énergie potentielle d'interaction entre elles. Elle s'exprime en joules (J).
Pour un système à l'état macroscopique (masse $m$, température $T$, pression $P$, volume $V$), on ne peut pas calculer $U$ directement, mais on peut mesurer sa variation $\Delta U$ à travers les échanges d'énergie avec l'extérieur.
Astuce — Variables d'état. Retiens les variables d'état d'un système : $P$, $V$, $T$, $n$ (quantité de matière). L'énergie interne $U$ est une fonction d'état : sa variation ne dépend que de l'état initial et de l'état final, pas du chemin suivi.
On distingue plusieurs formes d'énergie macroscopiques qui peuvent être converties :
- Énergie cinétique : $E_c = \frac{1}{2}mv^2$
- Énergie potentielle de pesanteur : $E_{pp} = mgh$
- Énergie potentielle élastique : $E_{pe} = \frac{1}{2}k x^2$
- Énergie interne $U$ (thermique)
- Énergie chimique, électrique, rayonnante…
Exemple. Une voiture en mouvement possède une énergie cinétique $E_c$. En freinant, cette énergie est convertie en énergie thermique (chaleur dégagée par les freins), ce qui augmente l'énergie interne des disques de frein.
2Travail W et chaleur Q : deux modes de transfert
Un système échange de l'énergie avec l'extérieur sous deux formes exclusivement :
| Mode | Symbole | Nature | Signe conventionnel |
|---|
| Travail | $W$ | Transfert macroscopique ordonné (force, pression, courant électrique…) | $W > 0$ : reçu par le système |
| Chaleur | $Q$ | Transfert thermique microscopique désordonné (conduction, convection, rayonnement) | $Q > 0$ : reçu par le système |
Convention thermodynamique. $W$ et $Q$ sont
algébriques :
- Si $W > 0$ : le système reçoit du travail.
- Si $W < 0$ : le système fournit du travail.
- Si $Q > 0$ : le système reçoit de la chaleur (chauffage).
- Si $Q < 0$ : le système cède de la chaleur (refroidissement).
Attention ! $W$ et $Q$ ne sont pas des fonctions d'état : ils dépendent du chemin suivi lors de la transformation. Seule leur somme $\Delta U = W + Q$ est indépendante du chemin.
Travail des forces de pression (système fermé, gaz) :
Pour une transformation à pression extérieure constante $P_{ext}$ :
$$W_{\text{pression}} = -P_{ext}\,\Delta V$$
où $\Delta V = V_f - V_i$ est la variation de volume (en m³). $W < 0$ si le gaz se dilate ($\Delta V > 0$) : il fournit du travail.
Astuce. Pour une transformation isochore ($\Delta V = 0$), le travail des forces de pression est nul : $W_{\text{pression}} = 0$.
3Premier principe de la thermodynamique
Premier principe (système fermé). La variation d'énergie interne d'un système fermé est égale à la somme algébrique du travail $W$ et de la chaleur $Q$ échangés avec l'extérieur :
$$\boxed{\Delta U = W + Q}$$
L'énergie se conserve : elle ne peut être ni créée, ni détruite, seulement convertie ou transférée.
Pour un système en mouvement macroscopique (dont on tient compte de l'énergie mécanique), on écrit le bilan général :
$$\Delta E_{mec} + \Delta U = W_{\text{ext}} + Q$$
où $W_{\text{ext}}$ est le travail de toutes les forces extérieures non conservatives (frottement, moteur…).
Exemple 1 — Chauffage isochore d'un gaz.
Un gaz enfermé dans un récipient rigide ($\Delta V = 0$, donc $W = 0$) reçoit une chaleur $Q = 500\,\text{J}$.
$\Delta U = 0 + 500 = 500\,\text{J}$ : la température du gaz augmente.
Exemple 2 — Détente adiabatique.
Un gaz se détend sans échange de chaleur ($Q = 0$, adiabatique) ; il fournit un travail $W = -200\,\text{J}$.
$\Delta U = -200 + 0 = -200\,\text{J}$ : la température du gaz diminue.
Schéma des échanges d'énergie entre un système et son environnement selon le premier principe.
4Transformations thermiques : calorimétrie
La calorimétrie étudie les échanges de chaleur lors des transformations physico-chimiques.
Capacité thermique massique $c$. Pour une transformation sans changement d'état :
$$Q = m c \Delta T$$
où $m$ est la masse (kg), $c$ la capacité thermique massique (J·kg⁻¹·K⁻¹), $\Delta T = T_f - T_i$ la variation de température.
Énergie de changement d'état $L$. Lors d'un changement d'état à $T$ constante :
$$Q = m L$$
où $L$ est la chaleur latente massique (J·kg⁻¹). $L > 0$ pour fusion/vaporisation ; $L < 0$ pour solidification/liquéfaction (point de vue du système).
| Substance | $c$ (J·kg⁻¹·K⁻¹) | $L_{\text{fusion}}$ (J·kg⁻¹) |
|---|
| Eau liquide | 4186 | — |
| Glace | 2090 | $3,34 \times 10^5$ |
| Aluminium | 900 | $3,97 \times 10^5$ |
| Fer | 450 | $2,72 \times 10^5$ |
Exemple — Mélange eau chaude / eau froide.
On mélange $m_1 = 200\,\text{g}$ d'eau à $T_1 = 80\,°\text{C}$ avec $m_2 = 100\,\text{g}$ d'eau à $T_2 = 20\,°\text{C}$.
Par conservation de l'énergie (calorimètre supposé adiabatique) :
$m_1 c (T_{eq} - T_1) + m_2 c (T_{eq} - T_2) = 0$
$T_{eq} = \frac{m_1 T_1 + m_2 T_2}{m_1 + m_2} = \frac{200 \times 80 + 100 \times 20}{300} = \frac{18000}{300} = 60\,°\text{C}$
Attention ! La formule $Q = mc\Delta T$ ne s'applique PAS pendant un changement d'état (la température reste constante). Il faut utiliser $Q = mL$.
5Conversions d'énergie dans les systèmes mécaniques
Dans les systèmes mécaniques, les échanges d'énergie font intervenir le travail des forces.
Travail d'une force constante. Le travail de la force $\vec{F}$ appliquée à un objet se déplaçant de $\vec{d}$ est :
$$W = \vec{F} \cdot \vec{d} = F\,d\,\cos\theta$$
où $\theta$ est l'angle entre $\vec{F}$ et $\vec{d}$. Unité : joule (J).
Théorème travail-énergie cinétique :
$$\Delta E_c = \sum W_{\text{forces}}$$
La variation d'énergie cinétique d'un solide est égale à la somme des travaux de toutes les forces qui lui sont appliquées.
Astuce — Forces conservatives.- Le poids $\vec{P}$ : $W_P = mg(z_i - z_f) = -\Delta E_{pp}$
- La force élastique : $W_{élastique} = -\Delta E_{pe}$
- La réaction normale $\vec{N}$ (perpendiculaire au déplacement) : $W_N = 0$
Bilan énergétique d'un système mécanique avec frottement (force de frottement $\vec{f}$) :
$$\Delta E_{mec} = W_{\text{frottement}} \leq 0$$
Les frottements convertissent une partie de l'énergie mécanique en énergie thermique ($\Delta U > 0$).
Chaîne de conversion : l'énergie mécanique se dégrade en chaleur par frottement.
Exemple — Objet glissant sur un plan incliné.
Un bloc de $m = 2\,\text{kg}$ glisse de $h = 1\,\text{m}$ en hauteur sur un plan incliné avec une force de frottement $f = 5\,\text{N}$ sur une distance $d = 3\,\text{m}$.
$W_P = mgh = 2 \times 10 \times 1 = 20\,\text{J}$ ; $W_f = -fd = -15\,\text{J}$
$\Delta E_c = W_P + W_f = 20 - 15 = 5\,\text{J}$
Les 15 J de frottement se convertissent en chaleur.
6Convertisseurs d'énergie et rendement
Un convertisseur d'énergie transforme une forme d'énergie en une autre. En pratique, des pertes sont toujours présentes (chaleur, bruit, frottement…).
Rendement $\eta$.
$$\boxed{\eta = \frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{fournie}}} = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{fournie}}}}$$
Le rendement est adimensionnel, compris entre 0 et 1 (ou 0 % et 100 %). Il est toujours strictement inférieur à 1 car des pertes sont inévitables.
| Convertisseur | Énergie fournie | Énergie utile | Pertes | $\eta$ typique |
|---|
| Moteur électrique | Électrique | Mécanique | Chaleur (effet Joule) | 85–95 % |
| Panneau solaire PV | Lumineuse | Électrique | Chaleur | 15–22 % |
| Moteur thermique | Chimique (carburant) | Mécanique | Chaleur (échappement) | 30–40 % |
| Ampoule LED | Électrique | Lumineuse | Chaleur | 80–90 % |
| Ampoule incandescente | Électrique | Lumineuse | Chaleur | 5–10 % |
Exemple — Moteur thermique.
Un moteur consomme $E_{fournie} = 50\,\text{MJ}$ de carburant et produit un travail mécanique $E_{utile} = 18\,\text{MJ}$.
$\eta = \frac{18}{50} = 0{,}36 = 36\,\%$
Les $50 - 18 = 32\,\text{MJ}$ restants sont dissipés sous forme de chaleur.
Attention ! Un rendement supérieur à 1 est impossible : il contredirait le premier principe de la thermodynamique. Si tu obtiens $\eta > 1$, vérifie ton calcul.
Comparaison des rendements énergétiques de différents convertisseurs courants.
7Bilan énergétique global et enjeux environnementaux
À l'échelle d'une installation ou d'un réseau, on établit un bilan énergétique global en appliquant la conservation de l'énergie :
$$E_{\text{fournie}} = E_{\text{utile}} + E_{\text{pertes}}$$
Pour des convertisseurs en cascade, le rendement global est le produit des rendements partiels :
$$\eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \cdots \times \eta_n$$
Exemple — Centrale électrique + transport + ampoule LED.
$\eta_1$ (centrale) $= 0{,}40$ ; $\eta_2$ (réseau) $= 0{,}93$ ; $\eta_3$ (LED) $= 0{,}85$
$\eta_{\text{global}} = 0{,}40 \times 0{,}93 \times 0{,}85 \approx 0{,}316 = 31{,}6\,\%$
Seulement ~32 % de l'énergie primaire se transforme en lumière utile.
Enjeux environnementaux :
- Améliorer les rendements réduit la consommation d'énergie primaire et les émissions de gaz à effet de serre.
- Les énergies renouvelables (solaire, éolien) convertissent des flux naturels en énergie utilisable, avec des pertes thermiques moindres.
- La récupération de chaleur fatale (réutilisation des pertes thermiques) améliore le bilan global.
Repère de cours. La loi de conservation de l'énergie s'applique toujours à l'échelle de l'univers (système + environnement). Ce qu'on appelle « perte » n'est jamais de l'énergie détruite, mais de l'énergie dispersée sous forme de chaleur dans l'environnement, donc moins facilement exploitable.
★À retenir
En bref :
• $\Delta U = W + Q$ : premier principe de la thermodynamique (conservation de l'énergie).
• $W > 0$ si reçu, $Q > 0$ si reçu (convention thermodynamique).
• Chaleur sans changement d'état : $Q = mc\Delta T$ ; avec changement d'état : $Q = mL$.
• Travail-énergie cinétique : $\Delta E_c = \sum W_{\text{forces}}$.
• Rendement : $\eta = E_{\text{utile}} / E_{\text{fournie}}$, toujours $< 1$.
• Rendement global en cascade : $\eta = \eta_1 \times \eta_2 \times \ldots$